Wie Motten ihre „Flamme“ finden – Genetische Grundlagen der Partneranziehung entdeckt

14. Mai 2021   Nr. 7/2021 (230)

Ein internationales Team von Biologinnen und Biologen hat das Gen entdeckt, das die Vorliebe von Maiszünsler-Männchen für das weibliche Sexualpheromon steuert.

Dem Rätsel der sexuellen Anziehung wurde ein weiteres Geheimnis entlockt   - zumindest was Kleinschmetterlinge betrifft. Ein Team aus sechs amerikanischen und europäischen Forschungsgruppen, darunter das Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, hat herausgefunden, welches Gen im Gehirn männlicher Maiszünsler ihre Vorliebe für die von den Weibchen produzierten Sexualpheromone steuert.  Die aktuelle Arbeit ergänzt eine frühere Studie über das Gen, das in der weiblichen Pheromondrüse exprimiert wird und die Art der Duftmischung bestimmt, die das Weibchen aussendet, um Männchen anzulocken. Die Studie wurde in Nature Communications veröffentlicht (Nature Communications, 14. Mai 2021, doi: 10.1038/s41467-021-23026-x).

Männchen und Weibchen des Maiszünslers Ostrinia nubilalis. Der Kleinschmetterling wird als Modellorganismus für die Untersuchung der Artbildung verwendet, seit Forschende entdeckten, dass es E- und Z-Stämme des Schädlings gibt, die unterschiedliche Sexuallockstoffe bilden. Foto: Melanie Unbehend, MPI chem. Ökol.

Die Schlussfolgerungen eines internationalen Forschungsteams, wie Motten mittels Dufterkennung den idealen Partner finden, gehen über die Entwicklung einer besseren Dating-App für Insekten hinaus. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler können sich jetzt fragen, warum sich Paarungssignale und Paarungspräferenzen überhaupt ändern. Dies ist ein langjähriges Paradoxon, da jede Veränderung des Duftsignals die Fähigkeit eines Lebewesens zur erfolgreichen Paarung aufs Spiel setzen kann. Die Kenntnis der jeweiligen Gene in den Männchen und Weibchen wird zu einem besseren Verständnis dafür führen, wie sich die Pheromone von Kleinschmetterlingen entwickelt haben.

Eine wichtige Aufgabe der Paarungspräferenzen besteht darin, sicherzustellen, dass man sich nicht mit einer völlig anderen Art paart. Das von den Weibchen ausgesendete Signal muss von den Männchen der gleichen Art bevorzugt werden, damit sich zwei Partner derselben Art paaren - ein Mechanismus, der „assortative“ oder nicht-zufällige Paarung genannt wird.  Der Maiszünsler ist ein interessantes Studienobjekt, weil es zwei Stämme gibt, E und Z genannt, die sich innerhalb des Stamms, und damit nicht-zufällig paaren.  Obwohl beide in Gefangenschaft miteinander gepaart werden können, paart sich im Feld E meist mit E und Z mit Z.  Aus diesem Grund wird der Maiszünsler als Modellorganismus für die Untersuchung der Artbildung verwendet, seit vor 50 Jahren erstmals entdeckt wurde, dass die Stämme unterschiedliche Sexuallockstoffe bilden (siehe auch Pressemeldung vom 7. Oktober 2016 "Maisschädling: Das Gehirn, nicht die Nase, sorgt für die richtige Partnerwahl").

"Das bedeutet, dass wir jetzt - auf molekularer Ebene - wissen, wie die chemische Partnerwahl zur Bildung neuer Arten beiträgt. Ähnliche genetische Veränderungen in der Pheromonpräferenz könnten erklären, wie Zehntausende anderer Mottenarten getrennt voneinander bleiben", sagt Erik Dopman, Professor für Biologie an der School of Arts and Sciences der Tufts University und einer der Hauptautoren der Studie.

Verschiedene Aspekte der Forschung wurden federführend von drei Wissenschaftlerinnen, Fotini Koutroumpa von der Universität Amsterdam, Melanie Unbehend vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie und Genevieve Kozak, ehemals Tufts Universität und derzeit Assistenzprofessorin an der Universität von Massachusetts durchgeführt.  "Der Erfolg unserer Studie ist einem Team mit einer gemeinsamen Vision und einem ausgeprägten Sinn für Humor zu verdanken. Auf diese Weise lohnt sich Forschung und macht auch noch Spaß", erklärt Dopman.

Eine der überraschenden Entdeckungen des Teams war, dass die Weibchen ihre Paarungssignale durch die spezielle Mischung der produzierten Lockstoffe variieren können, die Präferenz bei den Männchen hingegen durch ein Protein angetrieben wird. Das Protein verändert die auf die Erkennung des Signals ausgerichteten neuronalen Schaltkreise im Gehirn, beeinflusst dagegen aber nicht die Rezeptoren, die für das Aufspüren der Pheromone verantwortlich sind.

Die Vorliebe für einen bestimmten Pheromon-Cocktail wird durch jede der zahllosen Varianten des bab-Gens bestimmt, die in den Männchen des Maiszünslers gefunden werden. Die relevanten Varianten dieses Gens befinden sich nicht in Teilen des Gens, die für ein Protein kodieren, sondern in den Teilen, die vermutlich bestimmen, wie viel von dem Protein produziert wird. Dies wiederum beeinflusst die neuronalen Schaltkreise, die von den Antennen, also den Fühlern der Insekten, zum Gehirn verlaufen. Die Forscher konnten anatomische Unterschiede bei den Männchen feststellen, einschließlich der Reichweite der Geruchsnerven in verschiedenen Teilen des Mottenhirns, und sie mit ihrer Anziehung zu E- oder Z-Weibchen in Verbindung bringen.

"Dies ist die erste von 160.000 Arten von Kleinschmetterlingen, bei der sowohl das Gen für das weibliche Pheromonsignal als auch das Gen für die männliche Vorliebe für eben dieses Signal identifiziert wurden", sagt Astrid Groot von der Universität Amsterdam, die auch bei der Identifizierung des Gens half, das den Pheromonunterschied bei E- und Z-Weibchen kontrolliert. "Das gibt uns die vollständige Information über die Evolution der Partnerwahl bei dieser Art. Außerdem haben wir damit die Möglichkeit zu messen, wie eng die auf dem Pheromonduft basierende Partnerwahl mit der Entwicklung von Merkmalen und Populationen verbunden ist."

Die Möglichkeit, die Paarung vorherzusagen, könnte auch bei der Schädlingskontrolle helfen. Der Maiszünsler ist nicht nur für Mais, sondern auch für viele andere Nutzpflanzen ein bedeutender Schädling. In den USA kostet seine Überwachung und Bekämpfung jedes Jahr fast 2 Milliarden Dollar. Der Maiszünsler ist auch das Hauptangriffsziel für gentechnisch veränderten Bt-Mais, der Schädlinge bekämpfende Proteine aus dem Bakterium Bacillus thuringiensis (Bt) exprimiert. Während Bt-Mais in den USA nach wie vor ein wirksames Mittel zur Kontrolle des Maiszünslers ist, entwickeln Maiszünsler in der kanadischen Provinz Nova Scotia bereits Resistenzen gegen eine andere Sorte Bt-Mais.

"Unsere Ergebnisse können dazu beitragen, vorherzusagen, ob sich die in Kanada beobachtete Bt-Resistenz in den Corn Belt der USA ausbreiten könnte, oder ob assortative Paarung dies verhindern oder verzögern kann", meint Mitautor David Heckel vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, der auch untersucht, wie Insekten Bt-Resistenzen entwickeln.

 

Basierend auf einer Pressemeldung von Mike Silver, Tufts University

 

Originalveröffentlichung:

Unbehend, M., Kozak, G. M., Koutroumpa, F., Coates, B. S., Dekker, T., Groot, A. T., Heckel, D. G., Dopman, E. B. (2021). bric à brac controls sex pheromone choice by male European corn borer moths. Nature Communications, 12:2818, doi: 10.1038/s41467-021-23026-x
https://dx.doi.org/10.1038/s41467-021-23026-x

 

Weitere Informationen:

Prof. Dr. David G. Heckel, phone +49 3641 57-1599, e-mail heckel [at] ice.mpg.de, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Straße 8, 07745 Jena