Chemische Ökologie von Borken- und Ambrosiakäfer-Assoziationen mit Mikroben

Wir wollen verstehen, wie Borkenkäfer mit Pilzen und Bakterien interagieren und wie dies ihren Erfolg bei der Besiedlung von Bäumen beeinflusst.

Borkenkäfer (Coleoptera: Curculionidae) sind eine äußerst vielfältige Gruppe von Insekten, die in Wäldern in weiten Teilen der Welt vorkommen. Einige Arten sind bedeutende Schädlinge an wilden Bäumen und Bäumen in Plantagen, die bei Massenausbrüchen jährlich Millionen Hektar an Bäumen vernichten. Borkenkäfer haben die bemerkenswerte Fähigkeit, die Rinde und das Holz von Bäumen zu besiedeln, also Substrate, die einen sehr geringen Nährstoffgehalt haben und oft gut durch chemische Abwehrstoffe geschützt sind. Dieser Erfolg wird häufig auf die mit ihnen assoziierten Mikroorganismen zurückgeführt.

Wir untersuchen, wie Pilz- und Bakterienassoziationen das Überleben von Käfern auf Bäumen erleichtern, indem sie Nährstoffe liefern, Käfer vor krankheitserregenden Mikroben schützen und die Abwehrstoffe der Bäume entgiften. Unsere Forschung umfasst eine Vielzahl verschiedener Mikroben (Bakterien, Hefen und Fadenpilze), die im Käfer oder als freilebende Assoziierte vorkommen.

Wir wenden verschiedene Methoden an, darunter mikrobiologische Kultivierung, Sequenzierung und Transkriptomik, Verhaltens- und Leistungstests für Käfer, Isolierung und Charakterisierung von chemischen Substanzen sowie die Aufklärung von Stoffwechselwegen. Ein Ziel ist es, Die Gene von Mikroben und Insekten u isolieren, die für Enzyme kodieren, die am Nahrungserwerb, an der Entgiftung von Baumabwehrstoffen und an der Biosynthese von mikrobiellen Abwehrstoffen gegen antagonistische Mikroben beteiligt sind. Diese Gene werden manipuliert, um Hypothesen über die ökologischen Funktionen von Biosynthese- oder Katabolismuswegen zu testen, und ihre Expression wird überwacht, um festzustellen, wie die Interaktionen zwischen Insekten und Mikroben sowie zwischen Mikroben und Mikroben reguliert werden.

 

Forschungsprojekte zum Borkenkäfer Ips typographus und den mit ihm verbundenen Mikroben 

Millionen Hektar Fichten (Picea abies) in Deutschland und den umliegenden Ländern werden jedes Jahr vom Buchdrucker (Ips typographus) getötet. Die Ausbrüche nehmen aufgrund der steigenden Temperaturen zu, die den Lebenszyklus des Käfers beschleunigen und den Stress für die Bäume erhöhen. Der Besiedlungserfolg von I. typographus hängt von der Anwesenheit von Symbionten ab, insbesondere von freilebenden Bläuepilzen aus der Ordnung Ophiostomatales. Obwohl der genaue Nutzen und das Ausmaß dieser Assoziationen noch nicht genau bekannt sind, könnten diese ektosymbiotischen Pilze die Abwehrkräfte des Wirtsbaums erschöpfen, Abwehrstoffe des Baums verstoffwechseln, den Larven und ausgewachsenen Tieren Nährstoffe liefern oder sie vor schädlichen Mikroben schützen. Die vielen Fragen rund um dieses vielschichtige Ökosystem stehen im Mittelpunkt verschiedener Projekte unserer Gruppe, die alle darauf abzielen, Erkenntnisse über die ökologischen Interaktionen und Strategien zu gewinnen, die für den baumschädigenden Erfolg von I. typographus verantwortlich sind.

Auswirkungen von ophiostomatoiden Pilzen auf Ernährung und Fitness von Ips typographus

Beteiligte Forscherin: Emily Puckett

Kollaborationspartner: Dr. Dineshkumar Kandasamy (Universität Lund, Schweden), Dr. Axel Schmidt (Abwehr von Nadelbäumen)

Baumrinde ist ein schwieriges Substrat für Insekten, nicht nur wegen ihrer Abwehrstoffe, sondern auch wegen ihrer geringen Konzentration an zugänglichen Nährstoffen. Wie bei vielen Insekten besteht auch bei Borkenkäfern ein Missverhältnis zwischen dem, was sie benötigen, und dem, was ihre Wirte bieten können. Diese Diskrepanz wird häufig mit Hilfe eines mikrobiellen Symbionten überwunden, der entweder in den Organen des Insekts lebt oder in seiner Umgebung zu finden ist. Neben der Bereitstellung von Nährstoffen, die im Wirtsgewebe nicht in ausreichender Menge vorhanden sind, können Mikroben den Insekten auch Zugang zu ansonsten nährstoffarmen Substraten verschaffen. Mit einer Kombination aus chemischen und verhaltensbiologischen Tests versuchen wir herauszufinden, ob einer oder mehrere der mikrobiellen Partner von Ips typographus als Nahrungssymbionten fungieren.

Die Rolle der bakteriellen Symbionten für die Ökologie der Borkenkäfer

Beteiligte Forscherin: Ana Patricia Baños Quintana

Co-Betreuer: Prof. Dr. Martin Kaltenpoth, Abteilung Insektensymbiose

Das Mikrobiom von Ips typographus wurde bereits charakterisiert, aber seine Rolle bei der erfolgreichen Besiedlung durch den Borkenkäfer ist noch nicht genau bekannt. Bakterielle Symbionten im Darm könnten auch eine wichtige Rolle bei der Förderung des Käferbefalls spielen, indem sie wichtige Nährstoffe liefern oder die Abwehrkräfte des Wirtsbaums entgiften. Wir untersuchen die Rolle der mikrobiellen Darmgemeinschaft bei der Förderung der Borkenkäferentwicklung auf Fichten durch eine Kombination aus kulturabhängiger und -unabhängiger Mikrobiota-Profilierung, Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung, Metagenomik und Metatranskriptomik von Käferdärmen, manipulativen Bioassays und chemischer Analytik. Das Wissen über die Rolle der mikrobiellen Darmsymbionten im Lebenszyklus des Borkenkäfers könnte neue Erkenntnisse darüber liefern, wie die Insekten auf Bäumen mit geringem Nährstoffgehalt und reichhaltigen chemischen Abwehrstoffen überleben können, und neue Strategien zur Bekämpfung dieses Schädlings aufzeigen.

 

Die Rolle der endosymbiotischen Darmbakterien von Hylobius abietis bei der Entgiftung von Terpenen

Beteiligte Forscher:innen: Kristina Kshatriya, Dr. Axel Schmidt (Abwehr von Nadelbäumen)

Der Fichtenrüsselkäfer (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 Fichtenrüsselkäfer müssen daher mit einer komplexen Mischung schädlicher Sekundärmetaboliten in ihrer Nahrung zurechtkommen, zusätzlich zu dem Problem, eine Nahrungsquelle zu nutzen, die hauptsächlich aus Lignocellulose besteht.

Es ist bekannt, dass viele Insekten symbiotische Mikroorganismen in ihrem Verdauungssystem 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 sekundäre Pflanzenmetaboliten entgiften. Über den Abbau von Lignin oder Mono- und Sesquiterpenen sowie Diterpenharzsäuren, den Bestandteilen von Nadelharz, durch symbiotische Mikroorganismen ist jedoch wenig bekannt.

Wir erforschen, wie der Fichtenrüsselkäfer 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 der Darmmikroorganismen bei der Entgiftung von Terpenen und bei der Holzverdauung zu verstehen, verwenden wir kulturabhängige und -unabhängige Methoden sowie metabolische und genomische Analysen, um die Darmmikrobiota des Fichtenrüsselkäfers funktionell zu charakterisieren. Die Aufklärung des Verbleibs von Terpenen in diesem System wird Aufschluss darüber geben, wie Insekten mit pflanzeninduzierten Abwehrmechanismen zurechtkommen und wie einige Symbionten ihren Wirten ermöglichen, ansonsten unzugängliche Nahrungsquellen zu nutzen.

 

Glucosinolat-Entgiftungsstrategien bei Phloemfressern in einem multitrophischen Kontext