Abteilung Insektensymbiose

Abteilung Insektensymbiose

Direktor Prof. Dr. Martin Kaltenpoth

Die Abteilung Insektensymbiosen untersucht, wie sich Insekten an die speziellen Herausforderungen ihrer Umwelt und ihrer Nahrungsquellen anpassen. Dabei liegt ein besonderer Schwerpunkt auf Anpassungen, die durch symbiotische Mikroorganismen vermittelt werden. Das Hauptziel ist es, die evolutionären Ursprünge, die ökologische Bedeutung und die chemische und molekulare Basis der Interaktionen von Insekten mit mutualistischen Mikroorganismen, sowie mit Antagonisten und Nahrungspflanzen zu verstehen. Um allgemeingültige Einblicke in diese interspezifischen Interaktionen zu gewinnen, untersuchen wir ein breites taxonomisches Spektrum von Insekten, das verschiedene Käfer-, Wanzen-, Wespen- und Fliegen-Arten umfasst.

Insekten stellen die diverseste Tiergruppe auf der Erde dar und haben sich erfolgreich an eine Vielzahl verschiedener Umweltbedingungen und Nahrungsquellen angepasst. Der evolutionäre Erfolg der Insekten ist zumindest teilweise in ihrer Fähigkeit begründet, mutualistische Interaktionen mit Mikroorganismen einzugehen, die ihre Wirte bei der Nährstoffversorgung, Verdauung, Entgiftung und der Verteidigung gegen natürliche Feinde unterstützen. Das Hauptziel der Abteilung ist es, die evolutionären Ursprünge, die ökologische Bedeutung und die chemische und molekulare Basis der Interaktionen von Insekten mit mutualistischen Mikroorganismen sowie mit Antagonisten und Nahrungspflanzen zu verstehen. Wir untersuchen diese Fragen an einem breiten Spektrum ökologisch interessanter Insekten, um die chemischen Grundlagen interspezifischer Interaktionen und deren funktionelle Bedeutung von der zellulären Ebene bis hin zu den Fitness-Konsequenzen für die interagierenden Partner unter ökologisch relevanten Bedingungen zu verstehen. Dazu nutzen wir eine Kombination aus ökologischen Experimenten, phylogenetischen Rekonstruktionen, moderner Fluoreszenz-Mikroskopie und molekularen, chemisch-analytischen und mikrobiologischen Vorgehensweisen.
 

Symbiontengestützte Kutikula-Biosynthese als Schlüsselinnovation für den evolutionären Erfolg von Käfern (ERC Consolidator Grant "SYMBeetle")

Die Aufklärung der Schlüsselanpassungen, die dem evolutionären Erfolg zugrunde liegen, ist nach wie vor eine der zentralen Herausforderungen in Evolution und Ökologie. Experimentelle Untersuchungen werden jedoch oft dadurch behindert, dass evolutionäre Ereignisse nicht wiederholt werden können oder dass ein wichtiges Merkmal nicht manipuliert werden kann. SYMBeetle nutzt die konvergente Evolution einer experimentell nachvollziehbaren, symbiontengestützten Schlüsselanpassung bei Käfern, um deren Auswirkungen auf die Ausweitung der ökologischen Nische und die Diversifizierung des Wirtes zu verstehen. Neue Untersuchungen zeigen, dass Käfer aus verschiedenen Familien mit mikrobiellen Symbionten zusammenleben, die ihren Wirt mit Tyrosin versorgen, einer aromatischen Aminosäure, die für die Biosynthese, die Aushärtung und Ausfärbung der Kutikula notwendig ist. SYMBeetle untersucht die Hypothese, dass der Erwerb von Tyrosin-ergänzenden Mikroben eine Schlüsselinnovation bei phylogenetisch unterschiedlichen Käfern darstellte, die es ihnen ermöglichte, in neuartige ökologische Nischen vorzudringen, indem sie die Abhängigkeit von stickstoffreichen Nahrungsmitteln für die erfolgreiche Bildung des starren Exoskeletts und der schützenden Vorderflügel reduzierte. Insbesondere könnte die Tyrosinzufuhr den Übergang zur Herbivorie erleichtern und das Überleben bei niedriger Luftfeuchtigkeit ermöglichen, indem sie die Bildung einer dicken Kutikula gegen Austrocknung verbessert. Um dies zu testen, kombiniert SYMBeetle experimentelle Manipulationen symbiotischer Assoziationen, um den Beitrag der Symbionten zur Biosynthese der Kutikula und ihre Auswirkungen auf die Fitness (Austrocknungsresistenz und Verteidigung) zu bewerten, mit groß angelegten vergleichenden Ansätzen, die darauf abzielen, die taxonomische Verteilung, den ökologischen Kontext und die evolutionären Ursprünge von Symbiosen zur Kutikula-Synthese zu klären. Die Ergebnisse werden zu unserem Verständnis von Mikroben als wichtigen Vermittlern für die Evolution der Herbivorie und die Besiedlung trockener Lebensräume bei Käfern beitragen, zwei Faktoren, die für das Auftreten wirtschaftlich relevanter Schadinsekten an landwirtschaftlichen Nutzpflanzen und Lagerprodukten von großer Bedeutung sind.

Beteiligte Forscher: Aftab Mahmood Ayas; Ana Simao Pinto de Carvalho; Philipp Dirksen; Tobias Engl; Filip Kaftan; Sthandiwe Nomthandazo Kanyile; Julian Kiefer (JGU); Roy Kirsch; Ronja Krüsemer; Yannick Pauchet; Camila Fiori Pereira; Aurélien Vigneron; Heiko Vogel; Jürgen Wierz
Kooperationspartner: Dirk Ahrens (Forschungsmuseum Alexander König, Bonn, Deutschland); Abdelaziz Heddi und Anna Zaidman-Remy (INSA Lyon, Frankreich); Takema Fukatsu (AIST Tsukuba, Japan)

Der Getreideplattkäfer Oryzaephilus surinamensis ist ein berüchtigter Schädling von Lagergetreide (links). Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierungs-Aufnahme, die die symbiotischen Organe des Bohrkäfers Dinoderus porcellus mit zwei verschiedenen bakteriellen Partnern (in grün bzw. rot) zeigt.

Der Einfluss von Symbiose und horizontalem Gentransfer auf die Evolution der Herbivorie bei Blattkäfern

Blattkäfer (Coleoptera, Chrysomelidae) sind mit mehr als 40.000 beschriebenen Arten eine der artenreichsten Organismenfamilien der Erde. Ihr evolutionärer Erfolg beruht auf der Fähigkeit, ihren gesamten Lebenszyklus auf pflanzlicher Nahrung zu absolvieren. Um dies zu erreichen, bauen sie die pflanzlichen Zellwände mit Hilfe einer Reihe von pflanzenzellwandabbauenden Enzymen (plant cell wall degrading enzymes, PCWDEs) effizient ab. Einige dieser Enzyme werden von mikrobiellen Symbionten produziert, während andere durch horizontalen Gentransfer von assoziierten Mikroorganismen in die Genome der Käfer integriert wurden. Um die relative Bedeutung von Symbiose und horizontalem Gentransfer auf die Verdauung von Pflanzenmaterial während der Evolution der Blattkäfer zu verstehen, wollen wir Symbiont- und Wirts-kodierte PCWDEs in allen Unterfamilien der Chrysomelidae charakterisieren.

Beteiligte Forscher: Ana Simao Pinto de Carvalho; Roy Kirsch; Yu Okamura; Yannick Pauchet
Kooperationspartner: Adam Slipinski (CSIRO Australian National Insect Collection, Canberra, Australien)

Der Schilfkäfer Donacia versicolorea beherbergt bakterielle Symbionten, die essenzielle Aminosäuren ergänzen und Pektinasen für den Abbau der pflanzlichen Zellwand in der pflanzenfressenden Nahrung des Käfers liefern (links). Bakterielle Symbionten in den Malpighischen Tubuli der verwandten Art Donacia vulgaris (rechts).

Ökologie und molekulare Regulation der Abwehrsymbiose bei Wollkäfern

Die Käfer der Unterfamilie Lagriinae sind polyphage Insekten mit einer weiten Verbreitung in den Tropen und den gemäßigten Breiten. Frühe morphologische Beschreibungen wiesen auf das Vorhandensein spezialisierter Organe hin, die mit dem Fortpflanzungssystem der Weibchen und der Dorsalregion der Larven in Verbindung stehen und von denen man annahm, dass sie symbiotische Mikroorganismen beherbergen. Wir identifizierten diese Bakterien als mehrere verschiedene Stämme von Burkholderia gladioli (Beta-Proteobakterien) und bestätigten ihren vertikalen Übertragungsweg vom weiblichen Fortpflanzungstrakt über die Eioberfläche in die Larvenorgane sowie die horizontale Übertragung über die Nahrungspflanze. Manipulationsexperimente zeigten eine schützende Rolle der Bakterien auf der Eioberfläche und in den Larven, was das Potenzial symbiotischer Mikroben zeigt, frühe Entwicklungsstadien ihrer Wirte vor Antagonisten zu schützen. Da zumindest einige der Lagria-Symbionten kultivierbar und genetisch manipulierbar sind, bietet dieses System eine hervorragende Gelegenheit, die molekularen und chemischen Grundlagen von Wirt-Symbionten-Interaktionen sowie deren evolutionären Ursprung durch eine Kombination aus genetischer Manipulation, Biotests, chemischer Analytik, Genomik, Transkriptomik und Phylogenetik zu erforschen.

Beteiligte Forscher: Ramya Ganesan; Rebekka Janke; Alina Nick; Olivia Tidswell; Heiko Vogel
Kooperationspartner: Laura Victoria Flórez (Universität Kopenhagen, Dänemark); Christian Hertweck (Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie, Jena, Deutschland); Jason Kwan (University of Wisconsin-Madison, USA); André Rodrigues (UNESP Campus de Rio Claro, Brasilien)

Der Wollkäfer Lagria villosa (links) kultiviert schützende bakterielle Symbionten der Gattung Burkholderia in speziellen Beuteln, die mit dem weiblichen Fortpflanzungstrakt verbunden sind (rechts).

Symbionten zur Pathogenabwehr bei Bienenwölfen

Bienenwölfe der Gattungen Philanthus, Trachypus und Philanthinus (Hymenoptera, Crabronidae) sind solitäre Grabwespen, die eine symbiotische Verbindung mit gram-positiven Actinobakterien ("Candidatus Streptomyces philanthi") eingehen. Die Bakterien werden in spezialisierten Antennendrüsenreservoiren der Wespenweibchen kultiviert und in die unterirdischen Brutzellen abgegeben. Die Wespenlarve überträgt die Symbionten später aktiv in ihren Kokon, wo die Streptomyceten durch die Produktion von bis zu 49 verschiedenen Antibiotika Schutz gegen ein breites Spektrum opportunistischer Pilze und Bakterien bieten. Wir konnten Streptomyces philanthi in etwa 40 verschiedenen Wespenarten nachweisen, wobei die Symbionten eine klar definierte monophyletische Gruppe innerhalb der Gattung Streptomyces bilden, was auf eine spezifische Assoziation zwischen den Wespen und S. philanthi hindeutet, die wahrscheinlich in der späten Kreidezeit (vor mindestens 68 Millionen Jahren) entstand. Wir interessieren uns für die chemischen und molekularen Wechselwirkungen zwischen den symbiotischen Partnern in der Bienenwolf-Streptomyces-Symbiose sowie für die genomischen Folgen der symbiotischen Lebensweise für die Bakterien. Außerdem untersuchen wir, wie die von den Symbionten bereitgestellte Abwehr mit der Immunabwehr der Wespe interagiert und wie die Symbionten vor der Abwehr des Wirts geschützt werden.

Beteiligte Forscher: Chantal Ingham (JGU); Bernal Antonio Matarrita Carranza
Kooperationspartner: Jens Rolff (FU Berlin, Deutschland)

Bienenwölfe (links: Philanthus coronatus mit Beute) sind mit schützenden bakteriellen Symbionten der Gattung Streptomyces verbunden. Ein freilebender Streptomyces-Stamm, der ein blaues Pigment produziert (rechts).

Einfluss des Mikrobioms auf die Kältetoleranz von Drosophila melanogaster

Mikrobielle Symbionten sind wichtige Quellen für evolutionäre Innovationen, da sie ihren Wirten neue ökologische Eigenschaften verleihen. Während die Auswirkungen bakterieller Mutualisten auf die Interaktion von Insekten mit ihrer biotischen Umwelt (Antagonisten, Nahrungspflanzen, usw.) in den letzten Jahrzehnten zunehmend Beachtung gefunden haben, ist die Bedeutung mikrobieller Symbionten für die Anpassung an abiotische Bedingungen nach wie vor kaum untersucht. Vorläufige Daten deuten darauf hin, dass Mikroben, die mit Drosophila melanogaster assoziiert sind, die Kältetoleranz der Fliegen in Abhängigkeit von der Ernährung verbessern können. Wir wollen verstehen, (i) welche mikrobiellen Taxa, die natürlicherweise mit D. melanogaster assoziiert sind, die Kältetoleranz verbessern, (ii) wie sie dies auf mechanistischer Ebene tun, und (iii) ob es saisonale Veränderungen in der Mikrobiota von im Freiland gesammelten D. melanogaster gibt, die auf eine Beteiligung von Mikroben an der Temperaturakklimatisierung unter natürlichen Bedingungen hindeuten. Wir gehen diesen Fragen durch eine Kombination von Freilandarbeit, kultivierungsabhängiger und -unabhängiger Mikrobiota-Charakterisierung, Biotests zur Bewertung der Kältetoleranz und chemischer Analytik nach. Unser Ziel ist es, Erkenntnisse über den Einfluss mikrobieller Symbionten auf die Anpassung von Fruchtfliegen an niedrige Temperaturen und ihre mögliche Rolle für den Erfolg von D. melanogaster bei der Besiedlung der gemäßigten Breiten zu gewinnen.

Beteiligte Forscher: Marion Lemoine
Kooperationspartner: Marko Brankatschk (TU Dresden, Deutschland)

 

Die Rolle bakterieller Symbionten für die Ökologie der Borkenkäfer

Die Nadelwälder in Mitteleuropa leiden derzeit unter einer enormen Borkenkäferplage. Millionen Hektar Fichten (Picea abies) in Deutschland und den umliegenden Ländern werden vom Fichtenborkenkäfer oder Buchdrucker (Ips typographus) vernichtet, da die Erwärmung der Temperaturen den Lebenszyklus des Käfers beschleunigt und den Stress der Bäume erhöht. Es ist bekannt, dass ein erfolgreicher Befall durch den Buchdrucker vom Vorhandensein freilebender Pilzsymbionten abhängt, die der Käfer in den befallenen Baum animpft. Bakterielle Symbionten im Darm könnten jedoch ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Förderung des Käferbefalls spielen, indem sie wichtige Nährstoffe liefern oder die Abwehrstoffe des Wirtsbaums entgiften. Wir untersuchen die Rolle der mikrobiellen Darmgemeinschaft für die Entwicklung der Borkenkäfer an Fichten durch eine Kombination aus kultivierungsabhängiger und -unabhängiger Mikrobiota-Charakterisierung, Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung, Metagenomik und Metatranskriptomik von Käferdärmen, Biotests 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 vorschlagen.

Beteiligte Forscher: Ana Patricia Banos Quintana
Kooperationspartner: Jonathan Gershenzon, Abteilung Biochemie

 

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