Von Schafen und Rindern bis hin zu Giraffen: Genomstudie enthüllt die Evolution von Wiederkäuern

Ein Forscherteam hat eine detaillierte Untersuchung der Genome von Wiederkäuern durchgeführt und neue Erkenntnisse über deren Entwicklung und Erfolg gewonnen.

Wiederkäuer wie Hirsche und Antilopen sowie Schafe, Ziegen, Rinder und ihre wilden Verwandten gedeihen in vielen Ökosystemen rund um den Globus. Ihre Größe reicht vom winzigen Kleinen Maushirsch Malaysias bis zur riesigen afrikanischen Giraffe.

Die neue Studie, die heute (21. Juni) in Science veröffentlicht wurde und von Wen Wang und Guojie Zhang vom Kunming Institute of Zoology und Rasmus Heller von der Universität Kopenhagen, Dänemark, geleitet wurde, umfasste Professor Harris Lewin vom Department of Evolution and Ecology der UC Davis und Genomzentrum.

Wiederkäuer sind ein wichtiger Bestandteil der US-amerikanischen und weltweiten Agrarsysteme. Auf Bauernhöfen und Ranches gibt es allein in den USA schätzungsweise 95 Millionen Rinder sowie schätzungsweise 5,2 Millionen Schafe und 2 Millionen Ziegen.

„Da Ökosysteme auf der ganzen Welt beginnen, die Auswirkungen des Klimawandels zu zeigen, kann die Kenntnis der Gene und ihrer Varianten bei den Schutzbemühungen bedrohter und gefährdeter Wiederkäuerarten hilfreich sein. Außerdem können Ressourcen bereitgestellt werden, um die Auswirkungen des Klimawandels auf die Landwirtschaft abzumildern.“ Rohstoffe wie Zuchtvieh müssen besser an wärmere, trockenere Klimazonen angepasst werden“, sagte Lewin.

Das Team generierte mehr als 40 Billionen Basenpaare roher DNA-Sequenzen und fügte sie zu Genomen für 44 Arten zusammen. Auf der Grundlage dieser Daten konnten sie einen neuen Stammbaum für Wiederkäuer erstellen und dabei den größten (Giraffe) und den kleinsten (kleinen Maushirsch) auf einigen der frühesten Zweige platzieren, nachdem die Wiederkäuer vor 32 bis 39 Millionen Jahren als Gruppe entstanden waren.

„Die in dieser Studie produzierten Daten liefern einen grundlegenden genomischen Fahrplan für diese ökologisch und wirtschaftlich wichtige Gruppe von Säugetieren“, sagte Lewin, der auch Vorsitzender des Earth BioGenome Project ist, einem weltweiten Projekt zur Sequenzierung des genetischen Codes aller Eukaryoten auf dem Planeten – etwa 1,5 Millionen bekannte Arten, darunter alle Pflanzen, Tiere, Protozoen und Pilze. „Es ist eine enorme Ressource, nicht nur um zu verstehen, wie die Evolution Wiederkäuer geformt hat, sondern auch um die Grundlagen sowohl wünschenswerter als auch unerwünschter Merkmale, wie etwa Erbkrankheiten, zu verstehen.“

Alle Wiederkäuer verfügen über einen speziellen Magen mit mehreren Kammern, der es ihnen ermöglicht, die von ihnen gefressenen Pflanzen mithilfe von Mikroben zu fermentieren und Material zum weiteren Kauen nach oben zu bringen, was die Verdauung unterstützt. Dieses hochspezialisierte Verdauungssystem ermöglicht es Wiederkäuern, das Beste aus einer Ernährung zu machen, die reich an ansonsten unverdaulicher Zellulose ist.

Die Studie zeigte, dass von den 295 neu entwickelten Genen, die bei Wiederkäuern identifiziert wurden, viele mit dem Verdauungssystem in Zusammenhang stehen, beispielsweise mit der Struktur und Funktion des unterteilten Magens – Pansen, Omasum und Labmagen.

Das Team identifizierte außerdem eine Reihe von Genen, die mit Hörnern und Geweihen in Zusammenhang stehen. Wiederkäuer haben typischerweise Hörner oder Geweihe, die bei der Verteidigung oder beim Paarungsverhalten eine Rolle spielen können.

Den Forschern gelang es auch, evolutionäre Veränderungen auf Artenebene zu erkennen. Als größtes Landtier haben Giraffen eine besondere Statur und Körperform, die wahrscheinlich an ihren Savannenlebensraum angepasst sind. Die Forscher fanden heraus, dass von den 366 Genen, die mit der Knochenentwicklung zusammenhängen, 115 Gene giraffespezifische Mutationen aufwiesen.

Die Genome von Wiederkäuern könnten auch Hinweise auf den Einfluss des Menschen auf diese Tiere enthalten. Als die Forscher eine Methode verwendeten, um die frühere Populationsgröße abzuleiten, stellten sie einen massiven Rückgang von mehr als der Hälfte der Arten vor 100.000 bis 50.000 Jahren fest – etwa zu der Zeit, als der moderne Mensch Afrika verließ und sich auf der ganzen Welt ausbreitete.

Die Forscher haben die Ruminant Genome Database erstellt, eine öffentliche Sammlung der in ihrer Studie präsentierten genomischen und transkriptomischen Daten.

Die Arbeit wurde von einer Reihe von Agenturen und Stiftungen in China, Europa und den USA unterstützt. Der UC Davis-Anteil wurde vom US-Landwirtschaftsministerium und der Robert and Rosabel Osborne Endowment finanziert.

Harris Lewin, Evolution und Ökologie, [email protected]

Andy Fell, Nachrichten- und Medienarbeit, 530-752-4533, [email protected]