Herbivoren- und Pathogen-induzierte Verteidigungsstrategien bei Koniferen
Obwohl unser Verständnis der pflanzlichen Abwehrmechanismen in den letzten Jahren rapide gewachsen ist, wurde der Großteil des neuen Wissens aus Studien an krautigen Arten gewonnen, insbesondere an den Modellpflanzen Arabidopsis thaliana, Medicago truncatula, Tomate, Kartoffel, Mais und Reis. Viel weniger ist über die Arten von Abwehrmechanismen bei holzigen Pflanzen bekannt. Folglich ist nicht klar, ob der Einsatz von chemischer Verteidigung bei holzigen Taxa grundsätzlich derselbe ist wie bei krautigen Pflanzen. Gehölze sind in der Regel größer und leben länger als krautige Pflanzen, haben auch eine andere Lebensgeschichte und sind daher möglicherweise anderen Mustern des Herbivoren- und Pathogendrucks ausgesetzt. Darüber hinaus haben holzige Pflanzen einzigartige Gewebe, wie z. B. solche, die aus dem sekundären Wachstum des Stängels resultieren, und benötigen daher möglicherweise andere Arten des Schutzes.
Um ein vollständiges Bild der Verteidigung im Pflanzenreich zu erhalten, ist es wichtig, mehr über die Verteidigung einer Vielzahl von holzigen Pflanzen, sowohl Angiospermen als auch Gymnospermen, zu wissen. Koniferen sind eine charakteristische und weit verbreitete Gruppe von holzigen Gymnospermen, zu deren 500-600 Arten einige der größten und langlebigsten Vertreter des Pflanzenreichs gehören. Sie sind eine bedeutende Klimaxart und dominieren die meisten der großen Waldökosysteme Europas, Asiens und Nordamerikas. Von den 8-9 anerkannten Familien ist die größte und geographisch am weitesten verbreitete die Pinaceae, die Pinus, Abies, Larix, Pseudotsuga und Picea umfasst.
Als Modellart zur Untersuchung der Abwehr von Nadelbäumen haben wir Picea abies (Fichte) gewählt, die häufigste und wirtschaftlich wichtigste Nadelbaumart in Nord- und Mitteleuropa. Es ist bereits viel über die Herbivoren- und Schädlingsprobleme von P. abies bekannt, und diese Informationen werden bei der Untersuchung ihrer Abwehrmechanismen wertvoll sein. In unserer Gruppe untersuchen wir die induzierten chemischen Abwehrmechanismen von P. abies, d.h. Abwehrmechanismen, deren Werte nach einem Herbivoren- oder Pathogenbefall ansteigen. Induzierte Verteidigungsmechanismen haben in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen, da sie in Pflanzen weit verbreitet sind. Wir untersuchen die Induktion mehrerer verschiedener Klassen von induzierten Abwehrmechanismen in P. abies, darunter terpenhaltige Harze und phenolische Verbindungen. Unser Fokus liegt nicht nur auf ihrer defensiven Rolle, sondern auch darauf, wie der Gehalt dieser Verbindungen durch biochemische und molekulare Methoden manipuliert werden kann, während andere phänotypische Veränderungen minimiert werden. Die Manipulation von Abwehrstoffen in intakten Pflanzen ist ein wertvoller Ansatz, um ihre ökologische Rolle in der Pflanze zu untersuchen.
Rolle der endosymbiotischen Darmbakterien von Hylobius abietis bei der Entgiftung von Terpenen
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.
Kooperationspartner
Jörg Bohlmann (University of British Columbia, Michael Smith Laboratories, Vancouver, Canada)
Monika Hilker (FU Berlin, Institute of Biology, Dept. of Applied Zoology/Animal Ecology, Berlin, Germany)
Trygve Krekling (Norwegian University of Life Sciences, Dept. of Plant and Environmental Sciences, Ås, Norway)
Paal Krokene (The Norwegian Forest and Landscape Institute, Forest Health, Ås, Norway)
Nina Elisabeth Nagy (The Norwegian Forest and Landscape Institute, Forest Health, Ås, Norway)
Marco Michelozzi (Institute of Plant Genetics, Divisions Florence, Florence, Italy)
Christian Paetz (Max Planck Institute for Chemical Ecology, NMR group, Jena, Germany)
Jörg-Peter Schnitzler (German Research Center for Environmental Health (Munich, Germany)
Armand Séguin (Canadian Forest Service, Laurentian Forestry Centre, Quebec, Canada)