Stoffwechsel der Abwehrmechanismen von Fichten in Wechselwirkungen zwischen Pflanzen, Insekten und Mikroorganismen

Wir möchten verstehen, wie Insekten und die mit ihnen assoziierten Pilze pflanzliche Abwehrstoffe verstoffwechseln und wie diese Mechanismen die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen, Insekten und Pilzen beeinflussen.

Pflanzen, Insekten und Mikroorganismen sind durch komplexe chemische Wechselwirkungen miteinander verbunden, die die ökologischen Beziehungen in terrestrischen Ökosystemen prägen. In Waldumgebungen zeigen sich diese Wechselwirkungen besonders deutlich im System Fichte-Borkenkäfer, in dem Bäume, pflanzenfressende Insekten und verschiedene Pilzgemeinschaften in einen dynamischen chemischen Wettstreit verwickelt sind. Die Fichte nutzt ein breites Spektrum an Abwehrmetaboliten, insbesondere Phenolverbindungen, um sich vor Insektenbefall und mikrobieller Invasion zu schützen. Trotz dieser wirksamen chemischen Abwehrmechanismen gelingt es Borkenkäfern und assoziierten Mikroorganismen, das Phloem der Fichte zu besiedeln.

Unsere Forschung zielt darauf ab, zu verstehen, wie pflanzliche Abwehrstoffe innerhalb der Wechselwirkungen zwischen Pflanzen, Insekten und Mikroorganismen metabolisiert werden und wie diese Stoffwechselprozesse ökologische Systeme beeinflussen. Wir konzentrieren uns auf die chemischen Umwandlungen, die stattfinden, wenn pflanzliche Verbindungen über trophische Ebenen hinweg wandern, von Fichten zu Insekten, pathogenen Pilzen, Symbionten und weiter zu entomopathogenen und mykoparasitären Pilzen. Diese Umwandlungen können die Toxizität und biologische Aktivität verändern und damit das Überleben, den Infektionserfolg und die Wettbewerbsinteraktionen zwischen Organismen beeinflussen. Unter Verwendung des Borkenkäfer-Fichten-Systems als Modell kombinieren unsere Projekte chemische Ökologie, Metabolomik, Molekularbiologie, Genetik und künstliche Intelligenz-basierte Datenanalyse. Wir untersuchen, wie Insekten die Abwehrmechanismen von Pflanzen aktivieren, wie Symbionten und Pathogene von Borkenkäfern pflanzliche Phenolverbindungen verstoffwechseln und wie entomopathogene und mykoparasitäre Pilze diese chemischen Verbindungen modifizieren, um die Invasion von Borkenkäfern indirekt zu kontrollieren. Durch die Verknüpfung von Stoffwechselwegen mit Gen- und Proteinfunktionen wollen wir die molekularen Mechanismen aufdecken, die diesen Interaktionen zugrunde liegen, und ihre ökologische Bedeutung bestimmen.

Projekt 1: Chemische Umwandlungen prägen die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen, Insekten und Entomopathogenen

Hauptforschende: Dr. Ruo Sun, Baoyu Hu und Maxwell Zienecker

Kollaborationspartner*innen: Dr. Yoko Nakamura (MPI-CE, Abteilung Naturstoffbiosynthese); Katrin Luck (MPI-CE, Abteilung Naturstoffbiosynthese); Prof. Xingcong Jiang (CEMPS, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Pflanzen, Insekten und Mikroorganismen sind durch eine verborgene chemische Sprache miteinander verbunden. Pflanzen produzieren Abwehrstoffe, um sich zu schützen. Pflanzenfressende Insekten nehmen diese Verbindungen beim Fressen auf und verändern sie, während entomopathogene Pilze diese chemischen Abwehrmechanismen überwinden müssen, um zu überleben und ihre Wirte zu infizieren. Was mit diesen Chemikalien geschieht, wenn sie verschiedene Organismen durchlaufen, kann einen starken Einfluss darauf haben, wer überlebt und wer nicht. Dieses Projekt untersucht, wie pflanzliche Chemikalien umgewandelt werden, wenn sie von Bäumen zu Insekten und dann zu entomopathogenen Pilzen gelangen. Anhand von Borkenkäfern und ihren natürlichen Pilzpathogenen als Modellsystem untersuchen wir, wie Insekten pflanzliche Abwehrstoffe aktivieren und wie Pilze diese entgiften, um eine Infektion zu ermöglichen. Diese chemischen Umwandlungen helfen zu erklären, warum einige Pathogene trotz starker pflanzlicher Abwehrkräfte erfolgreich sind. Dieses Projekt zielt darauf ab, verborgene chemische Zusammenhänge in komplexen biologischen Systemen aufzudecken. Das Verständnis dieser Prozesse verbessert unser Wissen über ökologische Wechselwirkungen und kann die Entwicklung wirksamerer, umweltfreundlicherer Strategien zur Bekämpfung von Waldschädlingen unterstützen.

Projekt 2: Können nützliche Pilze Fichten im Kampf gegen symbiotische Pilze (Phytopathogene) von Borkenkäfern helfen?

Hauptforschernde: Baoyu Hu und Marlene Fehrenbach

Kollaborationspartner*innen: Dr. Yoko Nakamura (MPI-CE, Abteilung Naturstoffbiosynthese); Dr. Veit Grabe (MPI-CE, Mikroskopie)

Borkenkäferbefall stellt eine wachsende Bedrohung für Fichtenwälder dar, unter anderem weil die von ihnen übertragenen Pilze als potente Krankheitserreger wirken und die Abwehrkräfte der Bäume schwächen. Im Phloem der Fichten wandeln diese pathogenen Pilze gespeicherte Pflanzenstoffe in aktive antimykotische Chemikalien um und schaffen so eine für andere Mikroorganismen schwierige Umgebung. Bestimmte nützliche Pilze, sogenannte Mykoparasiten, sind jedoch in der Lage, zu überleben und diese Krankheitserreger sogar zu parasitieren. Wie entgiften diese Pilze die chemischen Abwehrstoffe ihrer Wirtsumgebung? Unsere Forschung untersucht die Wechselwirkungen zwischen Fichten, mit Borkenkäfern assoziierten Pilzen und mykoparasitären Pilzen wie Chaetomium globosum. Wir untersuchen, ob und wie sie antimykotische Verbindungen neutralisieren und Krankheitserreger unterdrücken und welche Mechanismen es Mykoparasiten ermöglichen, von pathogenen Pilzen abgeleitete Verbindungen zu verstoffwechseln. Das Verständnis dieser Fragen könnte neue Strategien zum Schutz von Fichtenwäldern vor Borkenkäferbefall und den von ihnen übertragenen Pilzen aufzeigen und gleichzeitig Aufschluss über die komplexen chemischen und ökologischen Netzwerke im Mikroökosystem von Fichten geben.

Projekt 3: KI-basierte Massenspektrometrieanalyse für Stoffwechselumwandlungsstudien in der chemischen Ökologie

Hauptforschender: Dr. Guilin Hu

Die chemische Ökologie untersucht, wie Chemikalien die Wechselwirkungen zwischen Organismen und ihrer Umwelt beeinflussen. Viele dieser Wechselwirkungen hängen davon ab, was mit externen Verbindungen wie Pflanzenchemikalien, mikrobiellen Produkten oder vom Wirt stammenden Molekülen geschieht, nachdem sie in ein lebendes System gelangt sind. Wenn diese Verbindungen metabolisiert werden, können sie die Ernährung, die Abwehr und die Zusammenarbeit oder den Konflikt zwischen Organismen beeinflussen. Das Verständnis dieser Stoffwechselumwandlungen ist der Schlüssel zur Aufdeckung der Rolle von Chemikalien bei ökologischen Prozessen. Mit Hilfe moderner Massenspektrometrie können wir Tausende von Chemikalien aus komplexen biologischen Proben nachweisen. Die schiere Komplexität dieser Daten macht es jedoch schwierig zu verstehen, wie die nachgewiesenen Moleküle durch den biologischen Stoffwechsel miteinander in Verbindung stehen, insbesondere wenn die Referenzinformationen begrenzt sind. Im Rahmen dieses Projekts wird ein KI-gestütztes Tool namens „MSmaster“ entwickelt, um metabolische Zusammenhänge innerhalb von Massenspektrometriedaten aufzudecken. Anstatt uns auf einzelne Verbindungen zu konzentrieren, verwenden wir maschinelles Lernen, um chemische Signale in Netzwerken zu organisieren, die wahrscheinliche metabolische Beziehungen hervorheben. Indem wir aufzeigen, wie exogene Verbindungen in biologischen Systemen umgewandelt und miteinander verbunden werden, hilft unser Ansatz dabei, neue, biologisch fundierte Hypothesen zu generieren und unser Verständnis der chemisch bedingten Wechselwirkungen in der Natur zu verbessern.

Projekt 4: Wie überwinden symbiotische Pilze von Borkenkäfern die Abwehrmechanismen von Fichten? 

Hauptforschende: Baoyu Hu, Shivani Nimbkar und Chengcheng Li

Kollaborationspartner*innen: Dr. Yoko Nakamura (MPI-CE, Abteilung Naturstoffbiosynthese); Prof. Almuth Hammerbacher (Forestry and Agricultural Biotechnology Institute, University of Pretoria,South Africa); Prof. Benke Hong (Westlake University, China)

In Fichtenwäldern geht der Befall durch Borkenkäfer oft mit Pilzsymbionten einher, die die Käfer in den Baum einschleppen. Es wird angenommen, dass diese Pilze den Käfern dabei helfen, die chemischen Abwehrmechanismen des Baumes zu überwinden, darunter Phenolverbindungen, die die Fichte normalerweise vor Infektionen schützen. Trotz ihrer ökologischen Bedeutung sind die Mechanismen, mit denen diese Pilzpartner die Abwehrchemikalien der Fichte neutralisieren oder verstoffwechseln, weitgehend unbekannt. Dieses Projekt zielt darauf ab, aufzudecken, wie sich die mit Borkenkäfern assoziierten Pilze an die chemisch feindliche Umgebung des Fichtenphloems anpassen und dort gedeihen. Zunächst werden wir testen, wie Phenolverbindungen der Fichte das Wachstum und die Aktivität dieser Pilzsymbionten beeinflussen. Als Nächstes werden wir die Wege nachverfolgen, über die die Pilze Abwehrchemikalien abbauen oder modifizieren, und dabei die zugrunde liegenden metabolischen und molekularen Prozesse untersuchen. Durch die Integration ökologischer Bioassays mit Analysen auf Protein- und Genebene hoffen wir, die Strategien aufzudecken, mit denen diese Pilze überleben, sich ansiedeln und den Befall durch Borkenkäfer unterstützen. Das Verständnis dieser Entgiftungsmechanismen der Pilze könnte neue Einblicke in die Dynamik von Waldökosystemen und den chemischen Wettstreit zwischen Bäumen und ihren mikrobiellen Eindringlingen liefern. Die Studie unterstreicht die entscheidende Rolle von Pilzsymbionten für den Erfolg von Borkenkäferbefall.

Projekt 5: Entgiftungsstrategien von Pilzen in von Borkenkäfern befallenen Fichten

Hauptforschende: Dr. Ruo Sun

Kollaborationspartnerin: Dr. Liujuan Zheng (Philipps-Universität Marburg)

Der Befall durch Borkenkäfer führt zur Bildung einer komplexen Pilzgemeinschaft in den Gängen der Fichten, darunter phytopathogene Pilze, mit Borkenkäfern assoziierte Symbionten, entomopathogene Pilze und mykoparasitäre Pilze. Obwohl Fichten auf den Befall mit hohen Konzentrationen an Phenolverbindungen mit starker antimykotischer Wirkung reagieren, bleiben diese vielfältigen Pilze bestehen und sind in der chemisch feindlichen Umgebung des Phloems weiterhin funktionsfähig. Wir haben festgestellt, dass verschiedene Pilze unterschiedliche Strategien zur Entgiftung der Abwehrstoffe der Pflanzen anwenden.

Dieses Projekt untersucht die molekularen und ökologischen Mechanismen, mit denen Pilze Phenole aus Fichten in weniger toxische oder nicht toxische Produkte umwandeln. Mithilfe von Metabolomanalysen identifizieren wir Entgiftungswege, die von mehreren Pilzarten genutzt werden, und charakterisieren die an diesen Umwandlungen beteiligten Gene und Proteine. Funktionsanalysen werden anhand gezielter Gen-Knockout-Mutanten durchgeführt, um die ökologische Rolle dieser Entgiftungsmechanismen innerhalb des Systems Fichte–Borkenkäfer–Pilze zu bestimmen. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Entgiftungsreaktionen hauptsächlich die Hydroxylgruppen von Phenolverbindungen verändern. Um die Enzymfunktion besser zu verstehen, untersuchen wir katalytisch wichtige Aminosäuren durch ortsspezifische Mutagenese. Durch die Verknüpfung biochemischer Mechanismen mit ökologischen Ergebnissen soll diese Forschung klären, wie die Entgiftung durch Pilze zum Überleben, zur Konkurrenz und zur Interaktionsdynamik von Pilzen in von Borkenkäfern befallenen Fichten beiträgt.