FoPaC - The Forest Pathogen Chemical Ecology Lab:  Chemische Ökologie von Waldpathogenen

Wir konzentrieren unsere Forschung auf Waldinsekten und mikrobielle Krankheitserreger sowie auf nicht pathogene, mit dem Wald in Verbindung stehende Mikroben, um die komplexen Wechselwirkungen aufzudecken, die die Gesundheit der Wälder und die Dynamik der Ökosysteme beeinflussen. Unser interdisziplinärer Ansatz verbindet Entomologie, Molekularbiologie und Mikrobiologie mit chemischer Ökologie und nutzt sowohl Labor- als auch Feldversuche mit Insekten und Mikroben.

Allgemeine Einführung

Waldökosysteme beherbergen eine enorme Vielfalt an Organismen, darunter Fadenpilze, Hefen, Bakterien und Insekten. Viele dieser Organismen erfüllen wichtige ökologische Funktionen, wie beispielsweise die Zersetzung von Totholz, das Recycling von Nährstoffen oder die Bildung nützlicher Verbindungen mit Bäumen, beispielsweise durch Mykorrhiza-Partnerschaften. Einige Mikroben und Insekten können jedoch als Baumpathogene wirken, die Abwehrmechanismen ihres Wirts überwinden und häufig eine hohe Baumsterblichkeit verursachen. Das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen diesen Organismen ist daher für die Gesundheit der Wälder und eine nachhaltige Bewirtschaftung von entscheidender Bedeutung.

Zu den bekanntesten insektenassoziierten Krankheitserregern zählen Borkenkäfer wie Ips typographus und Pityogenes chalcographus, die Fichten (Picea abies) befallen und unter günstigen Bedingungen erhebliche Schäden verursachen können. Obwohl die Käfer selbst gut erforscht sind, ist über die mit ihnen assoziierten Mikroorganismen und deren Einfluss auf den Erfolg und die ökologischen Auswirkungen ihrer Wirtsinsekten noch wenig bekannt. Unsere Forschung zielt darauf ab, diese Wechselwirkungen aufzuklären und die Mechanismen aufzudecken, durch die mikrobielle Symbionten zur Pathogenität von Insekten beitragen – und damit eine Grundlage für zukünftige angewandte Arbeiten zum Borkenkäfermanagement zu schaffen.

Neben insektenassoziierten Krankheitserregern untersuchen wir auch pilzliche Waldpathogene, darunter Hymenoscyphus fraxineus, den Erreger des Eschensterbens in Europa. Wir möchten verstehen, wie mikrobielle Eigenschaften zum Erfolg dieser Krankheitserreger beitragen und wie sie mit der Chemie der Wirtsbäume interagieren. Besonderes Augenmerk legen wir dabei auf die chemische Ökologie dieser Interaktionen, einschließlich der Rolle mikrobieller Metaboliten bei der Vermittlung von Konkurrenz und der Dynamik von Krankheitserregern.

Neben pathogenen Organismen untersuchen wir auch nicht-pathogene, mit Wäldern assoziierte Mikroben, wie beispielsweise holzabbauende Pilze. Diese Arten benötigen oft spezifische Umweltbedingungen, um zu gedeihen und sich gegen andere Mikroben durchzusetzen. Unsere Forschung untersucht ihre flüchtigen Profile und sekretierten Verbindungen, untersucht die chemischen Strategien, die sie im mikrobiellen Wettbewerb anwenden, und beleuchtet ihre ökologische Rolle innerhalb von Waldökosystemen.

Projekt 1: Die Rolle von mit Borkenkäfern assoziierten Pilzen bei der Baumsterblichkeit

Hauptforschende: Dr. Lukas Ernst und Dr. Hui Lyu

Der Befall von Wäldern durch Borkenkäfer geht oft mit der Einschleppung von Fadenpilzen einher, die eng mit ihren Insektenvektoren verbunden sind. Es wird angenommen, dass diese Pilze eine wichtige Rolle dabei spielen, dass Käfer erfolgreich Wirtsbäume besiedeln können, doch es ist noch unklar, ob sie selbst auch maßgeblich zur Baumsterblichkeit beitragen. In diesem Projekt untersuchen wir diese Wechselwirkungen, indem wir die Beziehungen zwischen Pflanzen und Mikroben sowohl auf mikroskopischer als auch auf biochemischer Ebene untersuchen. Anhand von Jungbäumen in Gewächshausversuchen sowie natürlich und künstlich befallenen Bäumen in Feldstudien bewerten wir die Virulenz einzelner Pilzstämme und erforschen die Mechanismen, die ihrer Pathogenität zugrunde liegen. Der Krankheitsverlauf wird durch eine Kombination aus Mikroskopie und physiologischen Messungen überwacht, während Multi-Omics-Ansätze eingesetzt werden, um Metaboliten und chemische Signale zu identifizieren, die zum Baumsterben beitragen können.

Projekt 2: Die Besiedlung von Bäumen durch Borkenkäferpilze – aus Sicht der Pflanzen

Hauptforschender: Dr. Julian David Restrepo Leal

Hauptkooperationspartner: Dr. Veit Grabe (MPI CE, Microscopy Imaging Service Group)

Massenbefall durch Borkenkäfer kann zu einem massiven Baumsterben in Wäldern führen. Bei solchen Befällen bringen die Käfer verschiedene Mikroorganismen in die Rinde ein, darunter auch Fadenpilze. Einige dieser Pilze können Gewebenekrosen verursachen und den Wassertransport im Wirtsbaum stören, was zu Welkesymptomen und schließlich zum Absterben des Baumes führen kann. Während das allgemeine pathogene Potenzial dieser Pilze bekannt ist, sind die zugrunde liegenden Mechanismen ihrer Virulenz – insbesondere diejenigen, die mit hydraulischem Versagen zusammenhängen – noch weitgehend unverstanden. In diesem Projekt kombinieren wir Pflanzenhydraulik, Fluoreszenzmikroskopie, Mikro-Röntgen-Computertomographie und Multi-Omics-Analysen von mit Pilzen beimpften Jungbäumen, um die Prozesse zu untersuchen, die zu einem hydraulischen Versagen führen. Wir untersuchen auch, wie Umweltfaktoren wie Dürre die Baumsterblichkeit während Pilzinfektionen verschlimmern können.

Projekt 3: Die funktionelle Rolle von Bakterien, die mit Borkenkäfern assoziiert sind

Hauptforschende: Jingxian Chen

Hauptkooperationspartner: Prof. Dr. Martin Kaltenpoth (MPI CE, Abteilung Insektensymbiosen), Ana Patricia Baños Quintana (MPI CE, Abteilung Insektensymbiosen)

Umfangreiche Forschungen haben gezeigt, dass symbiotische Mikroorganismen eine Vielzahl von Funktionen erfüllen können, die ihren Wirten helfen, sich an bestimmte ökologische Nischen anzupassen. Der Großer Achtzähniger Fichtenborkenkäfer (Ips typographus), der sich von den nährstoffarmen und chemisch geschützten Geweben der Fichte ernährt, ist mit zahlreichen ökologischen Herausforderungen konfrontiert, darunter der Konkurrenz durch pathogene Pilze. Unsere Forschung konzentriert sich auf die wichtigsten bakteriellen Symbionten von I. typographus und ihren möglichen Beitrag zur ökologischen Anpassung des Käfers. Wir isolieren und kultivieren diese Bakterien und führen genomische und phylogenetische Analysen durch, um ihre Vielfalt und ihre evolutionären Beziehungen besser zu verstehen. Darüber hinaus charakterisieren wir ihre Nährstoffverwertung und ihre chemischen Profile, einschließlich ihrer Fähigkeit, pflanzliche Abwehrstoffe zu verstoffwechseln. Wir untersuchen auch die mögliche Rolle dieser Bakterien bei der Abwehr von Krankheitserregern und anderen mikrobiellen Konkurrenten durch den Käfer.

Projekt 4: Die Untersuchung natürlicher Verbindungen, die das Verhalten von Borkenkäfern beeinflussen

Hauptforschender: Dr. Maximilian Lehenberger

Hauptkooperationspartner: Prof. Dr. Martin Andersson (Universität Lund ), Dr. Dineshkumar Kandasamy (Universität Lund), Dr. Christian Paetz (NMR Service Group), Dr. Yoko Nakamura (NMR Service Group)

Borkenkäfer wie Ips typographus sind stark auf Geruchsreize angewiesen, um geeignete Wirtsbäume zu finden und Massenangriffe zu koordinieren. Verbindungen, die diese chemischen Kommunikationswege stören – oder sogar als Repellentien wirken – bieten ein großes Potenzial für umweltfreundliche Strategien zur Schädlingsbekämpfung. In diesem Projekt konzentrieren wir uns auf flüchtige Verbindungen aus Pilzen und Fichten, die das Verhalten von I. typographus beeinflussen können. Zunächst isolieren und charakterisieren wir diese Substanzen chemisch und bewerten anschließend ihre biologische Aktivität mithilfe von Verhaltensbioassays. Um zu verstehen, wie die Käfer diese Verbindungen wahrnehmen, ergänzen wir diese Tests durch klassische Methoden der chemischen Ökologie wie elektrophysiologische Techniken, darunter Elektroantennographie (EAG) und Single-Sensillum-Recording (SSR). Unser integrierter Ansatz kombiniert Metabolomik und analytische Verfahren mit Strukturaufklärung mittels NMR-Spektroskopie. Durch die Verknüpfung der chemischen Identität mit Verhaltens- und physiologischen Reaktionen wollen wir natürliche Verbindungen identifizieren, die das Verhalten von Borkenkäfern modulieren, und tiefere Einblicke in die chemischen Mechanismen gewinnen, die der Käferabwehr zugrunde liegen.

Projekt 5: Einblicke in die Funktion von Hefen, die mit dem Borkenkäfer I. typographus assoziiert sind

Hauptforschende: Ana Patricia Baños Quintana (MPI CE, Abteilung Insektensymbiosen), Leandro Santiago Padilla

Hauptkooperationspartner: Prof. Dr. Martin Kaltenpoth (MPI CE, Abteilung Insektensymbiosen), Prof. Dr. Miroslav Kolařík (The Czech Academy of Sciences)

Es ist bekannt, dass Insekten symbiotische Verbindungen mit bestimmten Hefen eingehen, die sowohl ernährungsphysiologische als auch defensive Vorteile bieten können. Bei Borkenkäfern wie Ips typographus kommen Hefen häufig vor, doch über ihre funktionellen Rollen und potenziellen Vorteile für ihre Wirte ist nur wenig bekannt. In diesem Projekt charakterisieren wir umfassend die mit I. typographus assoziierten Hefegemeinschaften, um ihre ökologischen Funktionen zu untersuchen. Wir kombinieren eine Reihe von Ansätzen, um ihre Rolle aufzuklären, darunter Nährstoffprofilierung, Metabolomik und Analysen der chemischen Wege, die am Abbau und Stoffwechsel von pflanzlichen Abwehrstoffen beteiligt sind. Verhaltensuntersuchungen werden durchgeführt, um die Attraktivität der Hefen zu bewerten, während potenzielle Abwehrfunktionen durch Konkurrenzuntersuchungen mit pathogenen Pilzen sowie durch Analysen von Sekundärmetaboliten untersucht werden. Mit diesen Studien wollen wir aufdecken, wie Hefen zum Erfolg ihres Käferwirts, I. typographus, beitragen können.

Projekt 6: Einblicke in die Funktion von Pilzen, die mit dem Fichtenborkenkäfer assoziiert sind

Hauptforschende: Sifat Munim Tanin (Universität Freiburg), Dr. Maximilian Lehenberger

Hauptkooperationspartner: Prof. Dr. Peter Biedermann (Universität Freiburg)

Neben den bekannten Fichtenborkenkäfern sind andere wirtschaftlich wichtige Arten noch wenige erforscht, wie beispielsweise die Tannenborkenkäfer (Abies alba). In diesem Projekt untersuchen wir Pilze, die mit dem Tannen befallenden Borkenkäfer Pityokteines vorontzowi assoziiert sind, wobei wir uns auf ihre phylogenetische Vielfalt und ihre chemisch-ökologischen Funktionen konzentrieren. Unsere Forschung zielt darauf ab, zu verstehen, wie diese Pilze zum Erfolg ihrer Käferwirte beitragen könnten. Konkret analysieren wir die Nährstoffprofile dieser Pilzarten, um festzustellen, wie sie das Substrat der Käfer verbessern und die Verfügbarkeit essenzieller Nährstoffe für ihre Entwicklung erhöhen können. Darüber hinaus untersuchen wir die Wechselwirkungen zwischen assoziierten Pilzen und pflanzlichen Abwehrstoffen, die in Tannenholzgeweben vorhanden sind. Mithilfe einer Kombination aus Bioassays mit einzelnen Verbindungen und ergänzenden chemischen Analysen untersuchen wir, ob und wie diese Pilze in der Lage sind, sekundäre Abwehrmetaboliten des Wirtsbaums zu verstoffwechseln. Mit diesen Ansätzen wollen wir die doppelte Rolle dieser weniger erforschten, mit Borkenkäfern assoziierten Pilze bei der Unterstützung der Wirtsernährung und der Abschwächung der Baumabwehr aufdecken und so Aufschluss über die chemisch-ökologischen Mechanismen geben, die den Wechselwirkungen zwischen Käfern, Pilzen und Wirten zugrunde liegen.

Projekt 7: Der Fichten besiedelnde Borkenkäfer Pityogenes chalcographus und seine Pilzgemeinschaft

Hauptforschende: Niklas Gentsch (B.Sc. thesis), Antonia Papadopulos

Hauptkooperationspartner: Prof. Dr. Peter Biedermann (University of Freiburg), Dr. Vienna Kowallik (University of Freiburg), Prof. Dr. Patricia Carina Fernandez (University of Buenos Aires)

Der Borkenkäfer Pityogenes chalcographus befällt Fichten und ist für seine zerstörerische Wirkung auf Bäume bekannt. Trotz seiner ökologischen und wirtschaftlichen Bedeutung ist nur wenig über die mit dieser Art assoziierte Pilzgemeinschaft bekannt und darüber, wie diese Mikroben zur Besiedlung des Phloemgewebes beitragen. In diesem Projekt untersuchen wir die mit P. chalcographus assoziierten Pilzgemeinschaften und konzentrieren uns dabei auf ihre phylogenetische Vielfalt und ihre chemisch-ökologischen Funktionen. Unser Hauptziel ist es, zu verstehen, wie diese Mikroben zur Ernährung, zum Verhalten und zu den Wechselwirkungen des Käfers mit den Abwehrmechanismen des Wirts beitragen. Ausgehend von der Isolierung von Fadenpilzen und Hefen sowie der Amplikon-Sequenzierung führen wir phylogenetische Analysen durch, um die assoziierten mikrobiellen Gemeinschaften zu charakterisieren. Die Funktionsanalysen umfassen die Erstellung von Ernährungsprofilen und die Metabolomik der wichtigsten Pilzpartner, um ihre potenzielle Funktion als Nahrungsquelle zu identifizieren, Einblicke in wichtige Sekundärmetaboliten zu gewinnen und die potenzielle Nutzung von Pflanzenabwehrstoffen als Kohlenstoffquellen zu bewerten. Mit Hilfe von Sammlungen flüchtiger Stoffe, Verhaltenstests und Hemmungstests mit einzelnen Verbindungen werden die ökologischen und defensiven Rollen dieser Mikroben untersucht. Darüber hinaus liefert die Aufzucht von Käfern unter kontrollierten Bedingungen Einblicke in die chemischen Dynamiken innerhalb natürlicher Nester. Durch diese kombinierten Ansätze wollen wir aufdecken, wie die mikrobiellen Partner von P. chalcographus zur Ernährung des Wirts beitragen, die Wechselwirkungen mit den Abwehrmechanismen der Pflanzen modulieren und die Ökologie der Käfer beeinflussen, um so die chemisch-ökologischen Mechanismen aufzudecken, die den Wechselwirkungen zwischen Käfern, Pilzen und Wirten zugrunde liegen.

Projekt 8: Mycetangien: Hochspezialisierte Strukturen zur Übertragung von Symbionten bei Borken- und Ambrosiakäfern

Hauptforschende: Dr. Maximilian Lehenberger, Dr. Veit Grabe (MPI CE, Microscopy Imaging Service Group)

Hauptkooperationspartner: Prof. Dr. Martin Kaltenpoth (MPI CE, Abteilung Insektensymbiosen), Prof. Dr. Martin Schebeck (Universität Göttingen), Dr. Dineshkumar Kandasamy (Universität Lund ), Ana Patricia Baños Quintana (MPI CE, Abteilung Insektensymbiosen)

Insekten, die Pilze züchten oder mit ihnen in Verbindung stehen, transportieren ihre Symbionten oft in speziellen Strukturen, die den sicheren Transport und Erhalt ihrer mikrobiellen Partner gewährleisten. Unter diesen sind Mycetangien besonders faszinierend: sackartige Drüsen, die bei vielen Ambrosiakäfern und einigen Borkenkäfern vorkommen und vermutlich bestimmte mutualistische Pilze selektiv von einem Baum zum anderen übertragen. Trotz ihrer ökologischen Bedeutung sind die Morphologie, Vielfalt und Funktionsmechanismen dieser Strukturen noch weitgehend unerforscht. In diesem Projekt untersuchen wir die Mycetangien von Borken- und Ambrosiakäfern, um besser zu verstehen, wie diese spezialisierten Organe zur Übertragung von Symbionten beitragen. Wir kombinieren detaillierte morphologische Analysen mit mikrobiellen Isolierungen und molekularen Werkzeugen, um tiefere Einblicke in die Pilzgemeinschaften zu gewinnen, die in diesen Strukturen transportiert werden.

Projekt 9: Die Ernährungs- und Abwehrfunktion von Alloascoidea hylecoeti, dem Pilzsymbionten des Werftkäfers Elateroides dermestoides

Hauptforschende: Yu Pan, Dr. Maximilian Lehenberger

Hauptkooperationspartner: Prof. Dr. Leane Lehmann (University of Würzburg), Dr. Peter Gros (Thüringer Landesamt für Landwirtschaft und Ländlichen Raum)

Der Werftkäfer (Coleoptera: Lymexylidae) ist einer der wenigen nicht-sozialen, pilzzüchtenden Ambrosiakäfer. Im Gegensatz zu vielen anderen Ambrosiakäfern, bei denen die Brutpflege üblich ist, legen die Weibchen dieser Art ihre Eier auf die Rinde von Bäumen – sowohl Nadel- als auch Laubbäumen – und sterben kurz darauf. Die Larve muss bis zu drei Jahre in einer stark umkämpften mikrobiellen Umgebung überleben, um ihre Entwicklung abzuschließen. Trotz seines einzigartigen Lebenszyklus ist nur wenig über den Käfer oder seinen mikrobiellen Symbionten bekannt, einen hefeähnlichen Pilz, der zur Familie der Saccharomycetales gehört. In diesem Projekt untersuchen wir den Beitrag dieses mutualistischen Pilzes zur Ernährung sowie seine sekundären Abwehrmetaboliten. Diese Eigenschaften werden mit denen anderer Pilze verglichen, die mit Rinden- und Ambrosiakäfern assoziiert sind, sowie mit antagonistischen Pilzen und gewöhnlichen holzabbauenden Pilzen.

Projekt 10: Die chemische Ökologie des Erregers des Eschensterbens Hymenoscyphus fraxineus

Hauptforschende: Björn Lichnock, Dr. Maximilian Lehenberger

Hauptkooperationspartner: Dr. Gitta Langer (Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt), Prof. Dr. Susanne Jochner-Oette (Katholische Universität Eichstätt), Dr. Christian Paetz (MPI CE, NMR Service Group)

Das Eschensterben ist eine verheerende Krankheit, die die europäische Esche (Fraxinus excelsior) schwer getroffen hat. Vor einigen Jahren wurde ein spezifischer Pilz als Erreger identifiziert, der Ascomycetenpilz Hymenoscyphus fraxineus. Dieser pathogene Pilz wurde vermutlich Anfang der 1990er Jahre aus Ostasien nach Europa eingeschleppt. Seit seiner Ankunft hat er der Esche umfangreiche Schäden zugefügt, was zu einem weit verbreiteten Baumsterben und einem dramatischen Rückgang der Eschenpopulationen auf dem gesamten Kontinent geführt hat. Im Gegensatz dazu ist sein naher Verwandter, der einheimische H. albidus, nicht pathogen und koexistiert als Saprophyt, ohne Krankheitssymptome zu verursachen. In diesem Projekt untersuchen wir, wie H. fraxineus mit dem komplexen chemischen Abwehrsystem von F. excelsior interagiert. Konkret konzentrieren wir uns darauf, wie dieser Erreger während der Infektion die Abwehrstoffe des Wirts metabolisiert, toleriert oder sogar nutzt. Wir untersuchen auch verschiedene Metaboliten, die H. fraxineus produziert und akkumuliert, und wie diese Substanzen das Gewebe der Esche und ihre Abwehrreaktionen beeinflussen. Unser Ansatz integriert Metabolomik, Bioassays und chemische Analysen. Durch die Isolierung von Verbindungen und die Strukturaufklärung mittels NMR-Spektroskopie wollen wir wichtige Pilzmetaboliten identifizieren, die an der Pathogenität beteiligt sind, und die chemischen Mechanismen aufklären, die den Wechselwirkungen zwischen Wirt und Pathogen zugrunde liegen. Mit diesen Studien wollen wir aufdecken, wie H. fraxineus die chemischen Abwehrmechanismen von Eschen überwindet und zum anhaltenden Rückgang von F. excelsior in europäischen Wäldern beiträgt.

Projekt 11: Die chemische Ökologie seltener Totholzpilze - die Rolle flüchtiger Substanzen bei der Nischenbesetzung

Hauptforschende: Prof. Dr. Patricia Carina Fernandez (University of Buenos Aires), Dr. Maximilian Lehenberger

Hauptkooperationspartner: Prof. Dr. Claus Bässler (Universität Bayreuth), Dr. Harald Kellner (TU Dresden)

In Totholz lebende Pilze spielen eine entscheidende Rolle in Waldökosystemen, indem sie Holz zersetzen und Nährstoffe recyceln. Unter ihnen sind mehrere seltene Arten von besonderer ökologischer Bedeutung, da sie oft als Indikatoren für die natürliche Waldstruktur und die Kontinuität des Lebensraums dienen. Trotz ihrer Relevanz ist über diese seltenen Pilze nur sehr wenig bekannt, vor allem weil sie nur selten vorkommen und oft spezifische Umweltbedingungen benötigen. Diese Pilze besiedeln in der Regel altes oder stark verrottetes Holz, das auch von zahlreichen anderen Pilzarten bewohnt wird, was zu einer intensiven interspezifischen Konkurrenz führt. Eine zentrale Frage unserer Forschung ist, wie diese seltenen Pilze es schaffen, in solchen Wettbewerbsumgebungen zu überleben und ihre ökologischen Nischen zu erhalten. Bislang wurden nur wenige Arten hinsichtlich der von ihnen abgegebenen flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) untersucht, und diese Studien haben interessante und potenziell bioaktive Substanzen zutage gefördert. In diesem Projekt wollen wir die von verschiedenen seltenen Totholzpilzen produzierten flüchtigen Stoffe identifizieren und charakterisieren und ihre Auswirkungen auf andere, konkurrierende Pilzarten untersuchen. Dazu kombinieren wir die Sammlung und Analyse flüchtiger Stoffe mit einer Reihe von Bioassays unter Einbeziehung konkurrierender Pilzarten sowie der Identifizierung von Metaboliten. Mit diesen Ansätzen untersuchen wir die ökologische Rolle von flüchtigen Substanzen aus Pilzen – wie beispielsweise ihre potenziellen Funktionen bei der Konkurrenz, Kommunikation oder Verteidigung – und wie sie zur Erhaltung von Nischen und zur Koexistenz von Arten in Waldökosystemen beitragen können.

Team:

Dr. Lukas Ernst (Postdoc)
Dr. Hui Lyu (Postdoc)
Dr. Julian David Restrepo Leal (Postdoc)
Jingxian Chen (Guest PhD student)
Prof. Dr. Patricia Carina Fernandez (visiting professor)
Beate Rothe (TA)
Natascha Rauch (TA)
Niklas Gentsch (HiWi)
Antonia Papadopulos (HiWi)
Nina Suvajac (HiWi)
Ciara Hübner (HiWi)
Vincent Mattausch (HiWi)

Alumni:

Johanna Staudacher
Yu Pan
Leandro Santiago Padilla
Sapna Menghwar
Vivek Bhadani
Björn Lichnock
Mirkka Jossette Puente Madrid
Stefanie Ungerer
Usara Afia
Syeda Warda Shah Mehak Sherazi
Talha Faheem
Ilka Klose