Fakultät für
Lebenswissenschaften
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Fakultät für Lebenswissenschaften
Oktober 2016
Die Zebramuschel als Modellorganismus

Andreas Wanninger, Leiter des Departments für Integrative Zoologie

Der Forschungsschwerpunkt von Andreas Wanninger liegt auf der vergleichenden Untersuchung der Evolution von Tieren und deren Organsystemen (Morphogenese) – mit Fokus auf Muskel- und Nervensystemen bei den Wirbellosen. Im aktuellen FWF-Projekt wird erforscht, an welchen morphologischen Entwicklungen die Hox und ParaHox Gene bei der Zebramuschel beteiligt sind. Parallel dazu wird ihr Genom entschlüsselt und diese Molluskenart erstmals als Modellorganismus im Labor etabliert.

Herr Professor Wanninger, worum geht es in Ihrem FWF-Projekt?

Wir erforschen, wie sich die Zebramuschel (Dreissena polymorpha) vom befruchteten Ei bis zum ausgewachsenen Tier entwickelt. Wir untersuchen dies sowohl in Bezug auf wichtige Organsysteme wie Schale, Muskulatur und Nervensystem als auch auf genetischer Ebene. Dabei konzentrieren wir uns insbesondere auf diejenigen Gene, die daran beteiligt sind die Körperachsen (vorne-hinten, oben-unten) festzulegen, und jene, die an der Entwicklung der eben genannten Körperstrukturen beteiligt sind. Dabei gibt es Schlüsselgene, die sogenannten Hox und ParaHox Gene, die in der Evolution derart konserviert sind, dass sie in fast allen mehrzelligen Tieren vorkommen.

Von etlichen Organismen gibt es bereits Daten über die zeitliche und räumliche Expression dieser Gene. Über die Mollusken allerdings, zu denen unter anderem Muscheln, Schnecken und Tintenfische zählen, ist hierzu noch relativ wenig bekannt. Man weiß aber, dass die Hox und ParaHox Gene bei Tintenfischen und Schnecken nicht die Achsen festlegen, sondern die Ausbildung von Organsystemen (z.B. Fangarme oder Schalen) veranlassen, und somit offensichtlich völlig unterschiedliche Funktionen übernehmen als bei der Vielzahl der anderen Mehrzeller. 


Die Zebramuscheln werden einzeln in Glasgefäßen gehalten, um nach dem Ablaichen eine
kontrollierte Befruchtung herbeizuführen. © Sonia Rodriguez Monje

Bei der großen - auch ökonomisch wichtigen - Gruppe der Muscheln fehlen Untersuchungen und Daten zu den Hox und ParaHox Genen noch gänzlich. Die Hox und ParaHox Genexpression der Zebramuschel wird also eine Pionierarbeit sein, die herauszufinden versucht, an welchen Entwicklungsprozessen diese Gene beteiligt sind.

Warum ist gerade die Zebramuschel Objekt dieser Forschungen?

Die Zebramuschel hat sehr viele interessante Aspekte, und wir haben eine ganze Reihe an parallelen Projekten zur Erforschung dieses Tieres initiiert. Dazu haben wir eine Arbeitsgruppe etabliert, die u.a. aus meinen Doktoranden Sonia Rodriguez Monje, die an einer weiteren wichtigen Gruppe von Entwicklungsgenen, den Wnt-Genen, arbeitet, und André Luiz de Oliveira, der sich mit Transkriptionsanalysen innerhalb der gesamten Mollusken beschäftigt, sowie dem Postdoc Andrew Calcino besteht. Ziel ist hierbei auch, die Zebramuschel als Modellorganismus im Labor zu etablieren. Außerdem analysieren wir gemeinsam mit Thomas Rattei (Computational Life Sciences) die Transkriptome wichtiger Entwicklungsstadien, also alle in einem bestimmten Entwicklungsstadium aktiven Gene, der Zebramuschel. Flankierend dazu läuft - koordiniert von Andrew Calcino - eine Genomsequenzierung der Dreissena in Kooperation mit dem Vienna Scientific Cluster (VSC).


Andrew Calcino, Sonia Rodriguez Monje, Andreas Wanninger.

Wie erforschen Sie die Zebramuscheln?

Die Muscheln werden in ihrem Habitat, z. B. in der Donau, gesammelt und im Labor einzeln in kleinen Gefäßen gehalten. 


Zebramuscheln werden von ihrem natürlichen Habitat ins Labor verbracht und dort erforscht.
© Sonia Rodriguez Monje

Mittels verschiedener Methoden kann das Ablaichen der Männchen und Weibchen induziert werden, was uns bisher trotz suboptimaler Bedingungen (Fehlen professioneller Aquarienräume) ganz gut gelingt. Die anschließende kontrollierte Befruchtung der Eier erlaubt uns ein genaues Datieren der sich entwickelnden Embryonen und Larven und damit das wiederholte Abfixieren von für unser Projekt relevanten Entwicklungsstadien.  Untersucht werden von uns alle Entwicklungsstadien, vom befruchteten Ei über die verschiedenen Larvalstadien bis nach der Metamorphose der Tiere zur bodenlebenden Jungmuschel. Ideal wären natürlich Aqualabs, wie sie für den Neubau des Biozentrums geplant sind.


Veligerlarve von Dreissena polymorpha. © Andrew Calcino

Die Zebramuschel ist ja eigentlich nicht heimisch, sie ist eine invasive Art. Welche ökologischen und ökonomischen Auswirkungen hat ihre Verbreitung?

Richtig, die Zebramuschel stammt eigentlich aus den großen Flüssen Russlands und wurde über die Schifffahrtswege verbreitet. Mittlerweile kommt sie fast überall auf dem europäischen und nordamerikanischen Kontinent vor. Durch ihren massiven Reproduktionsoutput und ihren indirekten Lebenszyklus über freischwimmende Larven  kann die Art in den Gewässern besonders gut verdriftet werden und rasch riesige Populationen aufbauen. Es gibt Berichte aus den frühen 1990-er Jahren von den Großen Seen in Nordamerika, wo es zu massiven Einbrüchen in der einheimischen Fischfauna kam. Grund dafür ist, dass die Zebramuschel extrem erfolgreich filtrieren und dadurch in kurzer Zeit die meisten Nährstoffe aus der Wassersäule aufnehmen kann.

Die ausgewachsenen Tiere verfügen zudem über Proteinfäden (Byssusfäden) mit denen sie sich an vielen Substraten anheften können. Diese Fäden, die vom Tier auch wieder abgelöst werden können und extrem reißfest sind, sind im übrigen auch ein interessantes Biomaterial, das von hohem ökonomischen Nutzen sein kann. Gleichzeitig verursacht die Zebramuschel durch den Gebrauch ebendieser Fäden auch ökonomische Schäden, denn sie haftet sich an Wasser- bzw. Abwasserleitungen an und verstopft diese. Das kann gravierende Folgen haben, z.B. wenn es sich um Kühlwasseranlagen von Atomkraftwerken handelt. Obwohl unsere Fragestellungen primär evolutionsbiologischer Natur sind, wollen wir mit der Entschlüsselung des Genoms von Dreissena und all den nun beginnenden Arbeiten auch dazu beitragen, solchen ökonomischen und ökologischen Problematiken mit molekularbiologischen Untersuchungen auf den Grund zu gehen.


Opens external link in new windowWebsite Integrative Zoologie

English Version: Andreas Wanninger - Zebra mussels as a model organism.pdf

Flexible Brutpflege bei Fröschen

Eva Ringler

Eva Ringler hat 2011 mit Auszeichnung an der Universität Wien promoviert und forscht derzeit am Department für Integrative Zoologie der Fakultät für Lebenswissenschaften sowie als Postdoc am Messerli-Institut der Vetmed. Ihr derzeitiger Fokus liegt auf der Erforschung von „flexiblem Verhalten von Fröschen“, und dieses Thema untersucht sie an der Pfeilgiftfrosch-Art Allobates femoralis. Ringler wurde bereits mit mehreren Forschungspreisen und –stipendien ausgezeichnet, zuletzt mit dem Herta Firnberg Fellowship des FWF sowie dem Förderungspreis der Stadt Wien und dem Gertrud Pleskot Award der Fakultät für Lebenswissenschaften.

Frau Dr. Ringler, woran forschen Sie gerade?

Der Fokus meiner Arbeit liegt derzeit bei dem Thema „Flexibles Verhalten bei Fröschen“ (Hertha Firnberg Fellowship des FWF). Studien über flexibles Verhalten betrachten vorwiegend Säugetiere und Vögel, die sogenannten "höheren" Wirbeltiere. Über kognitive Prozesse bei Amphibien, z.B. strategische Planung und Verhaltensflexibilität, ist wenig bekannt. In meinem aktuellen Projekt untersuche ich flexibles Verhalten bei Fröschen hinsichtlich ihres Reproduktions- und Brutpflegeverhaltens. Zu diesem Zweck führe ich eine Reihe von Verhaltensexperimenten im Freiland und auch in unserem Frosch-Labor durch. Der anschließende Vergleich der Ergebnisse über verschiedene Taxa soll wichtigen Einblick in die Evolution von flexiblem Verhalten im Kontext von sexueller Selektion und Brutpflege liefern.


Eva Ringler erforscht das Verhalten von Allobates femoralis, eine Art aus der Familie der
Pfeilgiftfrösche. © Andrius Pašukonis

Wie sind Sie zu diesem Forschungsthema gekommen?

Während meiner Dissertation zum Thema „Paarungssystem und reproduktiver Erfolg bei Allobates femoralis“ habe ich viele Beobachtungen im Freiland gemacht, die Grundlage für die derzeitigen Arbeiten waren. Zum Beispiel habe ich beobachtet, dass auch Allobates femoralis Weibchen manchmal Kaulqappen auf dem Rücken zu Wasserstellen tragen - in der Regel sind es nämlich die Männchen, die für den Transport der Kaulquappen zuständig sind. In weiterführenden Studien konnte ich zeigen, dass die Weibchen nur dann diese Aufgabe übernehmen, wenn das „zuständige“ Männchen abwesend ist, d.h. gefressen wurde oder das Territorium gewechselt hat. Solch spontanes Kompensationsverhalten war bisher nur von Arten bekannt, bei denen beide Geschlechter in der Brutpflege involviert sind, und derartige Flexibilität ist auch recht ungewöhnlich für Amphibien. Nun möchte ich die zugrunde liegenden Mechanismen untersuchen, die spontanes weibliches Brutpflegeverhalten auslösen, z.B. individuelle oder räumliche Informationen des männlichen Anzeigerufes.

Sie haben ja bereits einige Förderpreise und Stipendien gewonnen. Welche Maßnahmen würden Sie sich noch wünschen, damit Sie Ihre Forschungstätigkeit vorantreiben können?

Ich habe mittlerweile eine recht große Arbeitsgruppe aufgebaut, die einerseits im Freiland in der von uns etablierten Frosch-Population auf einer Flussinsel arbeitet, als auch gezielte Verhaltensversuche im Froschlabor (umfasst derzeit rund 150 Frösche) durchführt. Um größere Projekte zu realisieren, müsste ich jedoch langfristiger planen können, z.B. im Rahmen einer tenure-track Stelle. 


Frosch-Labor an der Universität Wien (oben)
und die Frosch-Insel in Französisch Guyana (unten). © Eva Ringler

Was sind Ihre nächsten Ziele?

Ab April 2017 gehe ich zusammen mit meinem Mann und meinen zwei Töchtern für ein Jahr in die USA. Dort werde ich an der UCLA (University of California Los Angeles) bei Leopardfröschen (Rana pipiens) mittles funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRI) Unterschiede in der metabolischen Aktivität des Gehirns bei der Verarbeitung von bekannten und neuartigen Reizen (akustisch und visuell) einerseits lokalisieren aber auch quantifizieren. Funktionelle Gehirnstudien wurden bisher noch bei keiner Amphibienart durchgeführt, und dies wäre die erste Untersuchung über die Verarbeitung von neuen (nicht-bekannten) Signalen in einem Wirbeltier abseits von Primaten. Dies soll wichtige Erkenntnisse über jene neuronalen Strukturen liefern, die Voraussetzung für die Entwicklung von flexiblem Verhalten sind. Ein nächster FWF Einzelprojektantrag steht auch kurz vor der Einreichung.

Opens external link in new windowWebsite von Eva Ringler

English Version: Eva Ringler - Flexible parental duties in frogs.pdf

Werden wir sozialer durch Musik und Bewegung?

Daniel Bowling

Daniel Bowling hat seinen Bachelor in Psychologie und Neurophilosophie an der University of California San Diego gemacht und anschließend mit dem PhD in Neurobiologie an der Duke University abgeschlossen. Seit 2012 arbeitet er als Postdoc im Labor von Tecumseh Fitch am Department für Kognitive Biologie an der Universität Wien. 2016 wurde er mit dem Young Investigator Award der Fakultät für Lebenswissenschaften ausgezeichnet.

Herr Dr. Bowling, woran forschen Sie gerade?

Ich untersuche im Rahmen eines Lise Meitner-Stipendiums die biologischen Grundlagen musikalischen Verhaltens. Welche Rolle spielt Musik, um prosoziales Verhalten zu begünstigen? Es stellt sich zunehmend heraus, dass die Teilnahme an musikalischen Aktivitäten, die ein hohes Niveau an interpersonaler zeitlicher Abstimmung erfordert,
sich positiv auf soziale Phänomene wie Vertrauen und Kooperation auswirkt. Unsere Hypothese ist, dass Musik eine wichtige Rolle bei der Stimulation dieser Verhaltensweisen in der Evolution menschlichen Sozialverhaltens gespielt haben dürfte.

Wir nähern uns von verschiedenen Seiten an diese Hypothese an, mit Methoden auf psychophysiologischer, hormoneller und/oder auf der Verhaltensebene. Eine dieser speziellen experimentellen Fragen, die wir stellen, lautet: wie verändern sich die Augenbewegungen, wenn synchrone bzw. asynchrone biologische Bewegungen beobachtet werden? Führt die musikalische Koordination der Übung zu erhöhten Schmerzschwellen? Welche Auswirkungen hat das Singen in der Gruppe auf Hormone wie Cortisol und Oxytocin? Wie reagieren Herz und Lunge auf groovige Musik?


       In diesem Experiment betrachten Menschen Videos, während wir physiologische Signale
       aufzeichnen (z.B. Pupillenerweiterung, Herzschlag, Atemfrequenz). Die Videos zeigen
       soziale und nicht-soziale Versionen synchroner und nicht synchroner Bewegung.


Woher kommt das Interesse für Ihr Forschungsthema?

Ich war schon immer interessiert an den großen Fragen über uns selbst und unseren Platz in der Welt. Was macht uns zu Menschen? Wer sind wir als Spezies? Von wo kommen wir? Mein ultimatives Ziel ist es, etwas zur Beantwortung dieser Fragen beizutragen. Ich glaube, wir können eine Menge über die biologischen Grundlagen von musikalischem Verhalten lernen, scheinen doch Menschen spezialisiert darauf zu sein.

Sie haben bereits einige exzellente Auszeichnungen und Stipendien erhalten. Welche weiteren Aktivitäten würden Sie sich wünschen, um Ihre Forschung voranzutreiben?

Ich bin speziell interessiert am Zusammenhang zwischen Musik und Sprache - unseren beiden Hauptkanälen für akustische soziale Kommunikation. Etwas, das offenbar einzigartig von unserer Spezies entwickelt wurde. Ein vielversprechender Ansatz, der für Musik und Sprache relevant ist, ist die Evolution der Vokalisation, die ich mit Prof. Fitch am Department für Kognitive Biologie erforsche.

Was sind die nächsten Ziele, die Sie erreichen wollen?

Ich habe eine lange Liste laufender Projekte, die ich kommendes Jahr abschließe. Davon ausgehend werde ich versuchen, weitere Mittel zu erschließen, um zusätzliche StudentInnen zu engagieren, die mich dabei unterstützen, weitere Fragen über die biologischen Grundlagen von Musik und Sprache zu formulieren.

Opens external link in new windowWebsite zu Daniel Bowling

English Version: Dan Bowling - The role of music in promoting prosociality.pdf

Redaktion:  Prof. Dr. Verena Dirsch und Prof. Dr. Gerhard Herndl

Interviews und Texte: Mag. Ursula Gerber

Übersetzung ins Englische: Michael Stachowitsch

Gestaltung: DI Andrea Szabo