Projektgruppen der Abteilung Insektensymbiosen

Host Plant Adaptation, © MPI CE / H. Vogel

Dr. Heiko Vogel

Die Wechselbeziehung zwischen Pflanzen und Insekten, wie zum Beispiel das kontinuierliche evolutionäre Wettrüsten zwischen Wirtspflanzen und deren Fraßfeinden, bietet exzellente Möglichkeiten für die Erforschung der Interaktion zwischen Arten auf molekularer, ökologischer und evolutionärer Ebene. Bei allen Lebewesen ist die Nahrungsquelle ein bestimmender Faktor für die erbrachte physiologische Leistung und daher auch ein starker Selektionsdruck für herbivore Insekten. Der evolutionäre Erfolg von Insektenarten hängt stark von der Effizienz ab, mit der sie die Nährstoffe und andere Ressourcen ihrer Wirtspflanzen verwerten und von der Effektivität, mit der sie sich auf Wirtspflanzen spezialisiert haben. Generalisten treffen auf eine große Anzahl verschiedener Pflanzenabwehrsysteme (Sekundärmetabolite) und müssen daher umfassende Entgiftungsmechanismen besitzen, wohingegen Spezialisten ihr Entgiftungssystem genau auf das entsprechende Pflanzenabwehrsystem einstellen müssen. Kenntnisse über molekularen Mechanismen und evolutionären Dynamiken, die der Anpassung an Wirtspflanzen, Wirtspflanzenwechsel und Rekolonisierung von Wirtspflanzen zu Grunde liegen, sind jedoch spärlich oder gar nicht vorhanden.
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Mitarbeiter der Gruppe: Maike Fischer (Doktorandin), Yu Okamura (Postdoc), Domenica Schnabelrauch (Chemie-Ingenieurin), Henriette Ringys-Beckstein (TA), Steffi Gebauer-Jung (Bioinformatik)

Digestion, © MPI CE / Y. Pauchet

Dr. Yannick Pauchet

Larven herbivorer Insekten müssen eine große Menge an Pflanzenmaterial aufnehmen, um die hohen Wachstumsraten während ihrer Lebenszeit erreichen zu können. Zunächst müssen sie die widerstandsfähige pflanzliche Zellwand überwinden, um einen vollständigen Zugang zu wichtigen Nährstoffen zu bekommen, die die Insektenlarven für ihre Entwicklung benötigen. Pflanzliche Zellwände bestehen aus den am häufigsten vorkommenden Biopolymeren unseres Planeten, wie Zellulose, Hemizellulose, Pektin (primäre Zellwand) und Lignin (sekundäre Zellwand). Einige dieser Polymere sind Polysaccharide und stellen eine gute Energiequelle für die Insekten dar, die die Fähigkeit entwickelt haben, diese zu hydrolysieren. Weiterhin sind Insektenlarven hohen Konzentration an pflanzlichen Abwehrstoffen, wie proteinösen Hemmstoffen von Verdauungsenzymen und toxischen Sekundärmetaboliten, in ihrer Nahrung ausgesetzt und müssen sich an diese anpassen. Damit sich ein Insekt erfolgreich an seine Futterpflanze adaptieren kann, muss sein Verdauungssystem diese Pflanzenabwehrmechanismen überwinden. Während der Evolution hat ein regelrechtes „Wettrüsten“ zwischen dem Verdauungsarsenal der Insekten und der Pflanzenabwehr stattgefunden. Dies hat zur Entstehung von großen Genfamilien geführt, die für Verdauungs- und Entgiftungsenzyme kodieren. Unser Ziel ist es, durch die Verknüpfung von molekularen und biochemischen Ansätzen, wie die vergleichende Transkriptomik und Proteomik, als auch die Proteinexpression und -charakterisierung, detailliert die Mechanismen zu erforschen, die zur Anpassung des Verdauungssystems der Insekten an die Pflanzenabwehr und Umwelteinflüsse geführt haben.
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Mitarbeiter der Gruppe: Dr. Roy Kirsch (Postdoc); Bianca Wurlitzer (TA); Wiebke Häger (Doktorandin); Pauline Sell (Doktorandin).

Dr. Tobias Engl

Tiere sind von Mikroorganismen umgeben und interagieren dabei sowohl mit mikrobiellen Nützlingen als auch Schädlingen. Sie profitieren einerseits von dauerhaften, symbiotischen Beziehungen mit Bakterien, Pilzen und Viren, müssen andererseits aber mikrobielle Konkurrenten und Pathogene abwehren. Mikrobielle Symbionten unterstützen oft den Wirtsmetabolismus, indem sie limitierte Nährstoffe bereitstellen. Sie sind auch in der Lage, schädliche Mikroben durch bioaktive Metabolite abzuwehren, und dadurch die wirtseigenen Verteidigungsmechanismen oder aus den gesammelten, medizinischen Substanzen ergänzen. In beiden Fällen machen sich Tiere die einzigartigen metabolischen Fähigkeiten von Bakterien und Pilzen zunutze, primäre und sekundäre Metabolite zu synthetisieren. Die evolutionären Zusammenhänge, die ökologische Bedeutung sowie die funktionale Organisation vieler dieser Symbiosen sind noch unbekannt. Wir kombinieren experimentelle Manipulation der symbiotischen Assoziationen selbst mit verschiedenen Sequenziertechnologien, chemischer Analytik, sowie der Visualisierung der mikrobiellen Partner und besonders der beteiligten Metaboliten, um diese Zusammenhänge genauer zu verstehen.

 

Mitarbeiter der Gruppe: Julian Kiefer (PhD student, JGU Mainz), Noel Sillo (MSc student, JGU Mainz)
Co-Betreuer: Jürgen Wierz (PhD student), Nomthandazo Kanyile (PhD student), Chantal Ingham (PhD student, JGU Mainz), Marion Lemoine (PhD student)