Pflanze-Umwelt-Interaktionen
Wir untersuchen die direkten und indirekten Abwehrmechanismen der Schwarzpappel gegen den Angriff von Insektenherbivoren sowohl an alten, unter natürlichen Bedingungen wachsenden Bäumen als auch an Transplantaten dieser Bäume, die in einem Gewächshaus aufgezogen wurden. Unser Ansatz ist interdisziplinär und kombiniert klassische ökologische Methoden mit analytischer Chemie und Molekularbiologie.
Priming der Herbivoren-induzierten chemischen Abwehr in Populus nigra
Pflanzen, die von Herbivoren angefressen werden, induzieren möglicherweise nicht sofort Abwehrmechanismen gegen Herbivoren, sondern werden stattdessen dazu veranlasst, ihre Abwehrmechanismen nach einem zweiten Fressversuch zu erhöhen. Ein solches Priming der Abwehrinduktion wurde für eine Reihe von krautigen Arten beschrieben (z. B. Mais, Tabak, Limabohne und Pappel), aber die meisten dieser Experimente wurden unter Laborbedingungen durchgeführt. Das Ziel unseres Projekts ist es, festzustellen, ob die Induktion von Abwehrreaktionen gegen Pflanzenfresser in der Natur vorkommt, indem wir eine natürliche Population von Populus nigra L. (Schwarzpappel) mit altem Wachstum verwenden. Diese Art ist ein naher Verwandter von Populus trichocarpa, so dass die genomischen Ressourcen dieses Modellgehölztaxons genutzt werden können. Wir wollen nach dem Priming der Verteidigungsinduktion in natürlichen Populationen von P. nigra herausfinden, welche Verteidigung gegen Faßfeinde induziert wird, und einige der internen und externen Signale untersuchen, die dieses Phänomen vermitteln.
Volatile-vermittelte Kommunikation in Schwarzpappeln
Bei einem Angriff von Insektenherbivoren setzen Pflanzen eine spezifische Mischung flüchtiger organischer Verbindungen frei, von denen bekannt ist, dass sie eine wichtige Rolle bei der direkten und indirekten Pflanzenabwehr spielen. Jüngste Studien mit hauptsächlich krautigen Pflanzenarten haben gezeigt, dass herbivor-induzierte Pflanzenflüchtlinge nicht-befallenes Gewebe dazu bringen können, bei einem nachfolgenden Herbivorenangriff eine schnellere und stärkere Abwehrreaktion zu zeigen. Es gibt jedoch nur wenige Belege für das Abwehrpriming bei langlebigen holzigen Pflanzenarten und die Konsequenzen für das Verhalten und die Leistung von Insektenherbivoren. Ziel der Untersuchungen ist es, die Auswirkungen des volatil vermittelten Priming-Phänomens auf die Verteidigungschemie der Baumart Populus nigra (Schwarzpappel) und die Konsequenzen für ihre natürlichen Herbivoren, wie die Raupen des Zigeunerspinners (Lymantria dispar), zu untersuchen. Um dies zu erreichen, werde ich klassische ökologische Techniken wie Nahrungswahl und Larvenleistungstests mit biochemischen Methoden wie der Überwachung von flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) mit GC-MS/FID und anderen pflanzlichen Abwehrstoffen (Phenole, Abwehrproteine) und Abwehrhormonen über LC-MS und Enzymassays kombinieren.
Pathogen-vermittelte Veränderungen in der Schwarzpappel-Abwehr gegen Insekten-Herbivoren
In ihrer natürlichen Umgebung sind Pflanzen ständig Antagonisten wie pflanzenfressenden Insekten oder bakteriellen und pilzlichen Pathogenen ausgesetzt. Wenn eine Pflanze von einem dieser Organismen angegriffen wird, wird ein komplexes Signalnetzwerk ausgelöst, das Ionenflüsse, Phytohormon- und Genexpressionsänderungen umfasst. Dieses regulatorische Netzwerk führt schließlich zu metabolischen Veränderungen, um die Pflanze gegen den Angreifer zu verteidigen. Die meisten Studien, die diese pflanzlichen Abwehrreaktionen untersuchen, wurden mit nur einem Schädlingsorganismus und seinem Wirt durchgeführt. Diese Ein-Spezies-Interaktionen sind jedoch sehr vereinfacht und oft unrealistisch, da Pflanzen unter natürlichen Bedingungen einer Fülle von gleichzeitig auftretenden Antagonisten gegenüberstehen. Außerdem wurden fast alle diese Untersuchungen mit krautigen Arten wie Tabak, Limabohne oder Mais durchgeführt. Wie aber reagieren Gehölze auf eine Infektion durch einen Pilz oder den Fraß eines Insekts? Ist die Signalgebung, z.B. der Phytohormonspiegel, analog zu der bei Kräutern? Was passiert, wenn eine Pflanze von zwei Schädlingen gleichzeitig befallen wird? Hat ein solcher Mehrfachbefall eine Auswirkung auf die angreifenden Arten selbst oder deren natürliche Feinde? Diese und verwandte Fragen zu beantworten, ist das Ziel meiner Studie. Dazu verwende ich Schwarzpappelbäume (Populus nigra) und verschiedene pflanzenfressende Insektenarten. Zusätzlich zu diesen blattfressenden Antagonisten infiziere ich die Bäume mit dem biotrophen Pilz Melampsora larici-populina, einem weit verbreiteten Schädling in natürlichen Pappelbeständen und Plantagen. Indem ich beide Schädlinge sowohl nacheinander als auch gleichzeitig appliziere, versuche ich, mögliche Effekte des Erregers auf die Entwicklung und Wirtsinteraktion der Insekten aufzudecken und umgekehrt. Durch die Messung von Phytohormonen, Photosyntheserate, Genexpression und flüchtiger Emission der Pflanzen möchte ich außerdem die Signal- und Abwehrreaktionen in der Pappel untersuchen. Zusätzlich möchte ich die ökologischen Folgen untersuchen, indem ich die Fitness und das Verhalten der Fraßinsekten und ihrer natürlichen Feinde sowie die Entwicklung des Pilzerregers beobachte.