So detailliert wie nie: Forschenden ist es gelungen, das Genom der Japanischen Perlmuschel im Chromosomenmaßstab zu entschlüsseln – es ist eine der präzisesten und umfassendsten DNA-Kartierungen im gesamten Tierreich. Sie offenbart eine verborgene genetische Vielfalt dieser perlenproduzierenden Muscheln insbesondere bei Genen des Immunsystems. Gleichzeitig verrät die Sequenzierung auch, dass diese Vielfalt durch die Perlmuschelzucht stark abgenommen hat.
Perlmuscheln (Pinctada fucata) sind in Japan von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Ihre funkelnden Perlen aus Perlmutt sind weltweit für Halsketten, Ohrringe und Ringe begehrt. In den frühen 1990er Jahren brachten die Perlen noch rund 612 Millionen Euro pro Jahr ein. Doch dann kam es zu einem Massensterben der Perlmuscheln und die Gewinne kollabierten. Verantwortlich dafür waren Krankheitserreger und erhöhte Temperaturen des Meerwassers. Warum die Muscheln diesen Umständen in so hoher Zahl zum Opfer fielen und fallen, war jedoch bislang unklar.
Chromosomen einzeln analysiert
Auf der Suche nach Genen, die Perlmuscheln zu einem stärkeren Immunsystem und somit zu einer Resistenz gegen Krankheitserreger und Temperaturanstiege verhelfen könnten, hat ein Forschungsteam um Takeshi Takeuchi vom japanischen Okinawa Institute of Science and Technology nun das Genom der Japanischen Perlmuschel sequenziert. Das Erbgut dieser Spezies hatten sie bereits 2012 in einem ersten, noch groben Durchgang kartiert.
Jetzt hat das Team erstmals eine detaillierte DNA-Karte erstellt, die das Erbgut der mütterlicherseits und väterlicherseits geerbten Chromosomen getrennt betrachtet und im Detail aufschlüsselt. Weil die Chromosomen eines Paares abweichende Erb-Informationen (Haplotypen) enthalten können, spiegelt eine getrennte Sequenzierung die genetische Vielfalt einer Art besser wider als gängige Verfahren.
„Wirbellose Meerestiere, darunter die Mollusken, haben meist ein hochgradig heterozygotes Genom“, erklären die Forschenden. „Es ist daher wichtig, eine haplotyp-basierte Genomanalyse durchzuführen, um die für Mollusken typische genetische Variation zu verstehen.“
Auffälligkeiten bei Immungenen
Das Ergebnis ist die erste weitgehend vollständige DNA-Karte des Perlmuschel-Genoms. Sie zeigt nicht nur die Sequenzen aller 28 Chromosomen, sondern listet auch die mehr als 32.700 proteinkodierenden Gene beider von den Eltern geerbten Haplotypen getrennt auf. „Unseres Wissens nach übertrifft diese Gensequenzierung der Perlmuschel alle bisherigen Ansätze“, so Takeuchi und seine Kollegen. „Zudem ist es eine der präzisesten, kontinuierlichen Genkarten, die je von einer Tierart erstellt wurde.“
Durch die nach Chromosomen getrennte Auswertung stießen die Wissenschaftler auf auffallende Abweichungen zwischen den beiden Haplotypen der Muscheln. Einige Genombereiche wiesen Millionen DNA-Basen lange Abschnitte auf, die sich zwischen den beiden Chromosomen eines Paares unterschieden. Dies zeigte sich unter anderem auf dem neunten Chromosom. „Diese Regionen enthielten bemerkenswert vielfältige Genrepertoires für die angeborene Detektion von Krankheitserregern“, berichten die Forschenden.
Das könnte für die Perlmuscheln einen wichtiger Überlebensvorteil bedeuten: Denn wenn die immunregulierenden Genomabschnitte sich unterscheiden, steigt die verfügbare Anzahl an Bauanleitungen für krankheitsabwehrende Proteine. Eine Muschel mit möglichst unterschiedlichen Immungenen hat dadurch eine stärkere Immunabwehr und ist so effektiver vor Krankheiten geschützt. Bei einer konventionellen DNA-Analyse wären solche Feinheiten verborgen geblieben.
Weniger Vielfalt durch Zucht
Die Analysen von Takeuchi und seine Kollegen lieferten außerdem erste Hinweise darauf, warum so viele Zuchtmuscheln Krankheiten und gestiegenen Temperaturen erlegen sind. Laut Takeuchi haben japanische Fischer über Jahrzehnte hinweg immer nur jene Perlmuscheln miteinander gekreuzt, die besonders schöne Perlen bilden. Im Laufe der Zeit habe das zu Inzest und somit zu sehr ähnlichen Chromosomen innerhalb eines Paares geführt.
Wenn diese Ähnlichkeit auch bei immunregulierenden Chromosomenabschnitten aufträte, „würde das zu einer geringeren Gesundheit des Individuums führen, da die Hälfte seines Genrepertoires für die Immunität gelöscht wäre“, schreiben die Forschenden. „Es ist wichtig, die Genomvielfalt in Aquakulturpopulationen zu erhalten“, betont Takeuchi.
Die Analysen, die er und sein Team durchgeführt haben, könnten aber nicht nur die Zukunft der Perlmuschelzucht sichern und mehr über das Leben der Meerestiere, etwa über die Bildung ihrer Perlen, offenbaren. Die haplotypspezifische Genomanalyse könnte auch bei anderen Tieren angewandt werden und zu detaillierteren Erkenntnissen über ihre Genetik führen. (DNA Research, 2022, doi: 10.1093/dnares/dsac035)
Quelle: Okinawa Institute of Science and Technology
