Meerrettich-Erdfloh: Geschützt mit den Waffen seiner Nahrungspflanze

11. Mai 2021      Nr. 6/2021 (229)

Forschende klären auf, wie ein Käfer die Anreicherung von Pflanzengiften mittels spezieller Transporter reguliert.

Wenn Meerrettich-Erdflöhe an ihren Wirtspflanzen fressen, nehmen sie nicht nur Nährstoffe, sondern auch Senfölglykoside, die charakteristischen Abwehrstoffe des Meerrettichs und anderer Kreuzblütengewächse, auf. Mit Hilfe dieser Pflanzengifte verwandeln sich die Käfer in "Senfölbomben" und schrecken so Fressfeinde ab.  Forschende des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena konnten zeigen, wie diese Schädlinge Senfölglykoside im Körper speichern können. Die Käfer verfügen über spezielle Transporter in ihrem Ausscheidungssystem, die verhindern, dass die angereicherten Senfölglykoside passiv ausgeschieden werden. Dieser Mechanismus ermöglicht es dem Meerrettich-Erdfloh, hohe Mengen der Pflanzengifte in seinem Körper anzureichern, die er zur eigenen Verteidigung nutzt (Nature Communications, Mai 2021, doi: 10.1038/s41467-021-22982-8).

Der Meerrettich-Erdfloh Phyllotreta armoraciae reichert große Mengen an Senfölglykosiden in seinem Körper an, und wird damit für Räuber ungenießbar. Senfölglykoside sind Abwehrstoffe von Senf, Raps, Meerrettich und anderen Pflanzen aus der Familie der Kreuzblütengewächse. Entscheidend für die Einlagerung der Pflanzenabwehrstoffe im Käfer sind spezielle Transporter in den Ausscheidungsorganen, den sogenannten Malpighischen Gefäßen. Durch einen aktiven Rücktransport verhindern diese Transporter, dass die in den Körper aufgenommenen Senfölglykoside passiv ausgeschieden werden. Foto: Anna Schroll

Sequestrierung: Mit den Waffen anderer gut gerüstet

Viele Tiere verwenden chemische Abwehrstoffe, um ihre Fressfeinde abzuschrecken. Diese Abwehrstoffe werden entweder vom Tier selbst produziert oder aus der Nahrung erworben. Die Fähigkeit, Abwehrstoffe aus der Nahrung zugewinnen, ist besonders bei Insekten, die sich von giftigen Pflanzen ernähren, weit verbreitet. Ein Beispiel ist der Meerrettich-Erdfloh (Phyllotreta armoraciae), der Senfölglykoside in seinem Körper einlagern kann.

„Der Meerrettich-Erdfloh gehört zu einer wirtschaftlich wichtigen Gruppe von Insekten. Mehrere Arten der Gattung Phyllotreta sind Schädlinge von Raps und Kohlgemüse. Sie können große Mengen an Senfölglykosiden aus ihren Wirtspflanzen im Körper anreichern und den Gehalt und die Zusammensetzung dieser pflanzlichen Abwehrstoffe im Körper zumindest teilweise über die Ausscheidung regulieren. Dies deutet darauf hin, dass die Käfer über sehr effiziente Transport- und Speichermechanismen verfügen, die wir aufdecken wollten,“ erklärt Erstautor Zhi-Ling Yang das Ziel der neuen Studie.

Das Team um Franziska Beran, Leiterin der Forschungsgruppe Sequestrierung und Entgiftung in Insekten am Max-Planck-Institut, hat bereits nachweisen können, wie der Meerrettich-Erdfloh Senfölglykoside aus seiner Wirtspflanze effektiv für die Verteidigung gegen einen räuberischen Marienkäfer nutzt (siehe Pressemeldung vom 2. März 2020, Die Wehrhaftigkeit von Meerretticherdflöhen hängt von ihrer Futterpflanze und ihrem Entwicklungsstadium ab).


Spezielle Transporter für Pflanzengifte in den Ausscheidungsorganen der Käfer

Obwohl schon lange bekannt ist, dass Meerrettich-Erdflöhe und verwandte Käferarten Senfölglykoside in ihrem Körper anreichern, war unklar wie das Insekt es schafft hohe Mengen von Senfölglykosiden im Körper zu speichern. Das Ziel des Forschungsteams war es daher Transporter für Senfölglykoside in diesem Insekt zu identifizieren. „Die Suche nach diesen Transportern glich buchstäblich der Suche nach einer Nadel im Heuhaufen,“ meint Franziska Beran, „Wir fanden 1401 Membranproteine im Darm und den Malpighischen Gefäßen, die als Kandidaten in Frage kamen. Durch die Eingrenzung unserer Suche auf Transporter, die spezifisch für Meerrettich-Erdflöhe sind, ist es uns schließlich gelungen Senfölglykosid-spezifische Transportern zu identifizieren.“

Die gefundenen Senfölglykosid-Transporter befinden sich in den Ausscheidungsorganen, den sogenannten Malpighischen Gefäßen der Käfer, welche eine ähnliche Rolle übernehmen wie die Nieren bei Wirbeltieren. Die Funktion der identifizierten Transporter ermittelten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit Hilfe der „RNA Interferenz“, einem Ansatz, bei dem die Expression des untersuchten Gens unterdrückt wird, um daraus seine ursprüngliche Funktion im untersuchten Organismus abzuleiten: "Wir haben die Genexpression mehrerer Transporter, die in den Malpighischen Gefäßen lokalisiert sind, stillgelegt und festgestellt, dass diese Käfer mehr Senfölglykoside ausscheiden als eine Kontrollgruppe von Käfern mit normaler Genexpression. Aufgrund der höheren Ausscheidungsrate sank der Gehalt an Abwehrstoffen im Käferkörper. Unsere Studie ist die erste, die Transporter in den Malpighischen Gefäßen identifiziert, die es einem Insekt ermöglichen, Pflanzenabwehrstoffe im Körper zu anzureichern", fasst Yang zusammen.

Mit ihrer Untersuchung zeigen die Forschenden, dass Sequestrierung ein komplexer Prozess ist, der über die reine Aufnahme von Nahrungsgiften in den eigenen Körper weit hinausgeht. Das sequestrierende Insekt muss seine gesamte Physiologie anpassen, um pflanzliche Abwehrstoffe zur eigenen Verteidigung nutzen zu können. Diese Anpassungen erfolgen als Antwort auf die Herausforderungen in seiner Umwelt: Räuber, Parasiten und Krankheitserreger. „Sequestrierung ist wahrscheinlich eine der komplexesten Anpassungen, die pflanzenfressende Insekten entwickelt haben. Sie trägt mit Sicherheit auch zum evolutionären Erfolg von Insekten bei, die sich auf bestimmte Wirtspflanzen spezialisiert haben, wie dem Meerrettich-Erdfloh,“ meint Franziska Beran.

Berans Team will jetzt weitere an der Sequestrierung beteiligte Transporter identifizieren. Außerdem möchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wissen, vor welchen natürlichen Feinden Senfölglykoside dem Meerrettich-Erdfloh Schutz bieten. Mehr Wissen darüber, wie der Meerrettich-Erdfloh Pflanzengifte in seinem Körper einlagert und welche Auswirkungen das auf seine ökologischen Wechselwirkungen mit anderen Lebewesen in der Umwelt hat, wird das Verständnis dieses Schädlings vertiefen und möglicherweise Strategien für seine Bekämpfung optimieren.



Originalveröffentlichung:
Yang, Z.-L., Nour-Eldin, H. H., Hänniger, S., Reichelt, M., Crocoll, C., Seitz, F., Vogel, H., Beran, F. (2021). Sugar transporters enable a leaf beetle to accumulate plant defense compounds. Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-021-22982-8
https://doi.org/10.1038/s41467-021-22982-8


Weitere Informationen:
Dr. Franziska Beran,  +49 3641 57 1553, e-mail fberan [at] ice.mpg.de ,Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Straße 8, 07745 Jena


Download von hochaufgelösten Fotos über http://www.ice.mpg.de/ext/downloads2021.html

Zhi-Ling Yang und Franziska Beran in ihrem Labor. Um die Rolle der Malpighischen Gefäße in situ zu untersuchen, mussten die Forschenden sie in intakter Form sezieren. Dies ist eine sehr anspruchsvolle Aufgabe, da die Käferorgane nur einige Millimeter lang und zudem sehr dünn und leicht verletzlich sind. Foto: Anna Schroll