Herbivoren- und Pathogen-induzierte Verteidigungsstrategien bei Koniferen

Kristina Kshatriya

Der Kiefernrüsselkäfer (Hylobius abietis) ist ein bedeutender Schädling in europäischen Nadelwäldern, wo sich die erwachsenen Tiere von der Rinde und dem Kambium von Fichten- und Kiefernsämlingen ernähren. Nadelbäume sind durch ein komplexes Gemisch von Sekundärmetaboliten, hauptsächlich Terpenoid-Oleoresine und phenolische Verbindungen, gegen rindenfressende Herbivoren geschützt. Ausgewachsene Kiefernrüsselkäfer müssen daher mit einer komplexen Mischung schädlicher Sekundärmetaboliten in ihrer Nahrung zurechtkommen, und darüber hinaus eine Nahrungsquelle nutzen, die hauptsächlich aus Lignocellulose besteht.

Von vielen Insekten ist bekannt, dass sie in ihrem Verdauungssystem symbiotische Mikroorganismen beherbergen, die es dem Wirt ermöglichen, sich von suboptimaler Nahrung zu ernähren, indem sie die Verdauungseffizienz verbessern, die Nahrung mit limitierenden Vitaminen oder Aminosäuren ergänzen oder pflanzliche Sekundärmetaboliten entgiften. Über den Abbau von Lignin oder Mono- und Sesquiterpenen sowie Diterpenharzsäuren, den Bestandteilen von Nadelharz, durch symbiotische Mikroorganismen ist jedoch wenig bekannt.

Wir untersuchen, wie der Kiefernrüssler mit hohen Konzentrationen von Terpenen in der Rinde und im Kambium des Wirts zurechtkommt, indem wir das metabolische Schicksal dieser Verbindungen und ihre Wirkung auf den Käfer aufklären. Um die mögliche Rolle von Darm-Mikroorganismen bei der Terpen-Entgiftung sowie bei der Holzverdauung zu verstehen, nutzen wir kulturabhängige und -unabhängige Methoden sowie metabolische und genomische Analysen, um die Darm-Mikrobiota des Kiefernrüsslers funktionell zu charakterisieren. Die Aufklärung des Verbleibs von Terpenen in diesem System wird Aufschluss darüber geben, wie Insekten mit pflanzeninduzierten Abwehrmechanismen zurechtkommen und wie manche Symbionten es ihren Wirten ermöglichen, ansonsten unzugängliche Nahrungsquellen zu erschließen.

Andrew O'Donnell

Diterpenharzsäuren (DRA) sind sekundäre Pflanzenstoffe, die in den Nadeln und im Rindenharz vieler Nadelbäume reichlich vorhanden sind. DRAs werden als Abwehrstoffe angesehen, die Nadelbäume wie Picea abies (Fichte) vor dem pathogenen Pilz Ceratocystis polonica und vor Ips typographus (Borkenkäfer) schützen, der als Vektor für pilzliche Krankheitserreger fungiert, die beim Fressen in die Pflanze gelangen. In einigen Fichtenpopulationen lässt der Borkenkäferbefall nur wenige Bäume relativ unbeschadet, während er den Rest vernichtet. Die Biosynthese von DRA unterscheidet sich von anderen Bereichen des Terpenstoffwechsels durch das Zusammenwirken von nadelbaumspezifischen Unterfamilien von Diterpensynthasen und Cytochrom p450-Enzymlinien. Es wird angenommen, dass beide Unterfamilien die entscheidenden Schritte der DRA-Biosynthese bilden. In der Vergangenheit wurden bedeutende Fortschritte im Verständnis der DRA-Biosynthese erzielt. Die Beziehung zwischen der DRA-Regulierung und der Resistenz gegen Krankheitserreger ist jedoch nach wie vor nicht geklärt; im Hinblick auf den Befall durch Borkenkäfer ist nicht bekannt, ob die Diterpenoidzusammensetzung oder der Gesamtgehalt an Diterpenoiden in der Rinde als Prädiktor für die Resistenz dienen kann. Eine zweite offene Frage, die wir untersuchen, ist, wie neue Beziehungen zwischen mehreren Enzymfamilien während des Evolutionsprozesses entstehen; angesichts der schrittweisen Charakteristik der Mutation ist es unklar, wie sich Diterpen-Synthasen und Cytochrome p450 zu biochemischen Beziehungen entwickelt haben, die in der Fichte und ihren Verwandten einzigartig zu sein scheinen. Dieses Projekt zielt darauf ab, diese Fragen mit Hilfe einer Kombination aus transgenen Fichten, chemischen Rindenanalysen, biochemischen in-vitro-Studien und einer Reihe von Evolutionsanalysen zu beantworten.

Toni Krause

Isoprenoide sind die funktionell und strukturell vielfältigste Gruppe pflanzlicher Stoffwechselprodukte und erfüllen eine Vielzahl von Funktionen. Alle Isoprenoide wie Monoterpene, Chlorophylle und Carotinoide entstehen aus der Kopf-Schwanz-Kondensationsreaktion der Fünf-Kohlenstoff-Einheit Isopentenyl-Diphosphat (IDP) und seinem allylischen Isomer Dimethylallyl-Diphosphat (DMADP). Eines der Schlüsselenzyme im Biosyntheseweg ist die Isopentenyldiphosphat-Isomerase (IDI), die die Isomerisierungsreaktion zwischen den beiden Isoprenoid-Vorläufern IDP und DMADP katalysiert. Die Isoprenoid-Biosynthese variiert jedoch zwischen den Pflanzen. Holzige Pflanzen aus den Salicaceae und Pinaceae sind dafür bekannt, auch das Hemiterpen Isopren zu emittieren, was die Regulierung und Kanalisierung der Isoprenoid-Biosynthese komplexer macht als bei anderen, nicht Isopren emittierenden Pflanzen, die diese von DMADP abzweigenden Biosynthesewege nicht haben.

Um weitere Einblicke in die Regulierung der Isoprenoid-Biosynthese zu erhalten und die Biosyntheseschritte zu identifizieren, die die Bildung verschiedener Isoprenoid-Klassen steuern, werden wir eine Art, die große Mengen an Isopren und geringe Mengen anderer Isoprenoid-Metaboliten emittiert, die Graupappel (Populus canescens), mit der Fichte (Picea abies) vergleichen, einer Art, die nur geringe Mengen an Isopren, aber große Mengen an Isoprenoid-Metaboliten wie flüchtigen Terpenen produziert. Um die Isoprenemission zu verändern, wurde IDI in einem transgenen Ansatz gezielt eingesetzt, um transgene Pappel- und Fichtenlinien zu erzeugen, die entweder überexprimierte oder unterdrückte IDI-Expressionsniveaus aufweisen. Die transgenen Linien werden im Hinblick auf die Emission von Isopren und die Akkumulation anderer flüchtiger und nichtflüchtiger Isoprenoid-Metaboliten detailliert charakterisiert. Darüber hinaus wird die Expression von Genen und die Aktivität der entsprechenden Enzyme, die an der Isoprenoid-Biosynthese beteiligt sind, untersucht werden. Darüber hinaus sind ökologische Experimente geplant, um herauszufinden, ob Isopren zu den Abwehrreaktionen der Pflanze gegen Herbivoren und Krankheitserreger beiträgt, sowie Stoffwechselanalysen, um festzustellen, ob die transgenen Linien unterschiedliche Inkorporationsraten von ¹³CO₂ aufweisen. Durch eine detaillierte Charakterisierung der transgenen Pflanzen hoffen wir, zu einem besseren Verständnis darüber beizutragen, wie die Isoprenemission und die Isoprenoidproduktion innerhalb der Biosynthesemaschinerie der Pflanze zusammenhängen und ob sie an der Pflanzenabwehr beteiligt sind.