PROJEKTE

Borkenkäfer (Curculionidae: Scolytinae) der Gattung Dendroctonus leben in Symbiose mit Pilzen. In der Forschung sind sie häufig genutzte Modellorganismen für Untersuchungen von Symbiosen bei Insekten. Der Grund hierfür ist einerseits, dass sie eine große Bandbreite ökologischer Nischen besetzen, und andererseits, dass sie eine große wirtschaftliche Bedeutung haben. Es gibt aggressive Arten, die die Bäume, die sie bewohnen, töten, und andere, die gestresste oder bereits tote Bäume bevölkern. Eine dritte Gruppe der Dendroctonus-Arten entwickelt sich in lebenden Bäumen ohne diese zu töten, lebt also parasitär. Diese dritte Gruppe ist bisher kaum erforscht, jedoch sehr interessant, da sich die Wirte, im Gegensatz zu toten Bäumen, unaufhörlich wehren. Es ist bisher nicht bekannt, wie die Käfer die Abwehrmechanismen der Bäume überwinden.

Daher verbünden sich die Käfer mit besonderen bakteriellen und Pilzmikroorganismen, die ihnen dabei helfen, die Abwehrmechanismen der Bäume zu überwinden. In dieser Studie wenden wir ergänzende Kultur-abhängige und –unabhängige Methoden an, um eine erste umfassende Übersicht über die bakteriellen und Pilzsymbionten der parasitären Käfer D. micans, D. punctatus, and D. valens zu geben.

Wir vergleichen zudem ihre mikrobiellen Gemeinschaften mit denen anderer baumbewohnender Insekten. Unsere ersten Ergebnisse zeigen, dass viele Bakterien und Hefen in allen drei Arten in den verschiedenen Entwicklungsstadien vorkommen, vor allem stickstoffbindende und entgiftende Mikroorganismen. Unsere Studie wirft ein neues Licht auf die Symbionten der Borkenkäfer und wird dazu beitragen, zu verstehen, welche Bedeutung Symbiosen für verschiedene Insekten mit unterschiedlicher Lebensweise haben.

Der Kaffeekirschenkäfer (Hypothenemus hampei) ist der Hauptschädling des Kaffees und verursacht immense Ernteausfälle in kaffeeproduzierenden Ländern weltweit. Wenn wir mögliche Methoden der Biokontrolle dieser Arte bewerten wollen, müssen wir zuerst ihren Lebenszyklus und ihr Verhalten besser verstehen sowie die Rolle von möglichen Gegenspielern (Käfer-Pathogenen). Der Käfer verbringt einen Großteil seines Lebenszyklus in einer Kaffeekirsche. Um das Verhalten des Kaffeekirschenkäfers aufzuklären, haben wir eine Methode entwickelt, diesen Lebensraum im Labor nachzustellen. Zu diesem Zweck haben wir künstliche Nahrung zwischen zwei Glasplatten platziert („diet sandwich“). Diese Konstruktion ermöglicht es uns, die Käfer in ihren Nestern zu beobachten. Zurzeit bestimmen wir die Verhaltensweisen der Larven, Männchen und der befruchteten und unbefruchteten Weibchen. Besonders spannend ist die Frage, ob wir Zeichen einer sozialen Lebensweise finden werden. Ein Hinweis darauf wäre, wenn die erwachsenen Nachkommen nicht sofort ausflögen, sondern noch einige Zeit im mütterlichen Nest verbrächten („verzögerter Ausflug“). Ein direkter Nachweis wäre die Beobachtung, dass die Nachkommen sich in dieser Zeit an verschiedenen Aufgaben im Nest beteiligen (Kooperation) und bei der Aufzucht der Brut helfen. In einem Experiment injizieren wir mikrobielle Krankheitserreger (Pathogene, z.B. Beauveria bassiana) in das künstliche Nährmedium und testen, wie die Käfer darauf reagieren. So möchten wir herausfinden, ob natürliche Feinde als Biokontrolle dieses Schädlings eingesetzt werden können.

Wenn Blattläuse der Gattung Pemphigus Schwarz-Pappeln befallen und Gallen in den Stielen der Blätter bilden, lösen sie damit große Veränderungen in der chemischen Abwehr der Bäume aus. In diesem Projekt bestimmen wir, wie diese chemischen Veränderungen die Gemeinschaft Pilze beeinflussen, die wiederum als Endosymbionten die Blätter besiedeln. Es handelt sich dabei um verschiedene Pilzarten, manche von ihnen sind krankeiterregend.

Wir sammeln Blattproben mit und ohne Blattläuse im Feld, bestimmen die chemische Abwehr der Blätter und kultivieren die Pilze dieser Proben. Zusätzlich untersuchen wir experimentell, wie die wichtigsten Pilzarten miteinander interagieren und wie sie die chemische Zusammensetzung der Blätter beeinflussen.

Wie viele andere Pflanzen auch sind Disteln oft mit endosymbiontischen Pilzen infiziert, die in ihren Blättern wachsen. Die Pilze werden den Pflanzen eingeimpft, wenn Schildkäfer an ihnen fressen, da diese Pilzsporen übertragen.

In diesem Projekt untersuchten wir die Gemeinschaft endosymbiontischer Pilze in der Kohl-Kratzdistel Cirsium oleraceum und der Acker-Kratzdistel Cirsium arvense. Uns interessiert, ob es den Käfer Fitnessvorteile bringt, wenn sie von Blättern fressen, die mit dem Pilz infiziert sind. Hierfür führten wir Fütterungsexperimente mit dem Distelschildkäfer Cassida rubiginosa durch, den wir von infizierten und nicht-infizierten Blättern der Kohl-Kratzdistel fressen lassen.

Ziel des Verblps-Projekts ist es, die Wirksamkeit des Einsatzes von SPLAT®Verb gegen die Aggregation und den Befall von Ips typographus zu testen. Während der Pheromonspender SPLAT®Verb in den Vereinigten Staaten bereits zur Bekämpfung und Eindämmung verschiedener Borkenkäferarten wie dem Bergkiefernkäfer (Dendroctonus ponderosae) eingesetzt wird, wurde seine Wirksamkeit für den europäischen Fichtenborkenkäfer Ips typographus noch nicht getestet.
SPLAT®Verb ist ein kommerziell hergestellter und umweltfreundlicher Pheromondispenser, der das Anti-Aggregations-Pheromon Verbenon kontrolliert im Feld freisetzt. Verbenon ist ein natürlich vorkommendes Anti-Aggregations-Pheromon, das von einer Vielzahl von Borkenkäferarten, darunter Ips typographus, verwendet wird.
Im Rahmen dieses Projekts soll die Wirksamkeit des Einsatzes von SPLAT®Verb gegen die Aggregation und den Befall von Ips typographus getestet werden. Der Wirkbereich, die Wirkungsdauer und die benötigten Mengen werden ermittelt, der Einsatz zum Flächenschutz untersucht und Anwendungsmöglichkeiten vorgestellt.
Diese Forschung ist ein gemeinsames Projekt des Lehrstuhls für Forstentomologie und Waldschutz und des Lehrstuhls für Ökosystemphysiologie der Universität Freiburg mit der Forstlichen Versuchs- und Forschungsanstalt Baden-Württemberg (FVA).

Passive akustische Techniken können eine ferngesteuerte, nicht invasive, automatisierte Alternative zu herkömmlichen Methoden für den Nachweis und die Überwachung schwer zugänglicher Arten darstellen. In jüngster Zeit wurden zufällige Geräusche, die von Holzbohrern erzeugt werden - wie z. B. die Geräusche, die bei der Nahrungsaufnahme oder bei der Bewegung durch Gänge entstehen - zur Früherkennung einiger Arten in importierten Holzverpackungen eingesetzt. Obwohl der Europäische Fichtenborkenkäfer Ips typographus eine Art von großem wirtschaftlichem Interesse ist, gibt es keine Literatur über seine Nebengeräusche.
Durch eine Reihe von Messungen mit dem Laboroszilloskop haben wir die Leistungsfähigkeit der derzeit verfügbaren akustischen Geräte zur Erkennung von Nebengeräuschen von Ips typographus untersucht. Darüber hinaus haben wir die Nebengeräusche von Larven, Puppen und erwachsenen Ips typographus beschrieben, indem wir Aufnahmen aus befallenen und unbefallenen Stämmen verglichen. Darüber hinaus wurde eine Reihe von Videoaufnahmen von künstlichen Plexiglas-Sandwiches gemacht, die mit larvalen, verpuppten und adulten Ips typographus befallen waren, um akustisch-visuelle Korrelationen zwischen den identifizierten Geräuschen und Bewegungen zu ermöglichen.
Unsere Messungen ergaben große Unterschiede zwischen den verglichenen Aufnahmen hinsichtlich der Empfindlichkeit und des Signal-Rausch-Verhältnisses, was die Bedeutung dieser beiden Parameter bei der Messung eines akustischen Signals mit geringer Amplitude, wie z.B. zufällige Borkenkäferlaute, verdeutlicht. Darüber hinaus stellten wir fest, dass die Laute von Ips typographus durch breitbandige, kurze, unregelmäßige Pulse zwischen 100 Hz und 22 kHz gekennzeichnet sind.
Unsere Ergebnisse können ein nützlicher Ausgangspunkt für künftige Untersuchungen der Akustik von Ips typographus sein und ein gutes Fundament für mögliche Anwendungen akustischer Technologien zur Früherkennung, Überwachung und Bewirtschaftung dieser Art bilden.

Die Auswirkungen von Holzerntemaschinen auf die Bodenstruktur von Rückegassen sind relativ gut untersucht. Die Bodenverdichtung verändert die bodenphysikalischen Parameter, was zu einer Verringerung der Makroporosität des Bodens und zu einer Beeinträchtigung der Porenkontinuität führt. Dieser Prozess setzt eine Kette von Reaktionen in Gang, die den Gas- und Wasserhaushalt von Rückegassenböden und vermutlich auch ihre Artenzusammensetzung verändern. Der Kenntnisstand über die Auswirkungen des Schwerlastverkehrs auf die biologische Vielfalt lässt jedoch noch keine eindeutige Interpretation und Bewertung zu. Eine kombinierte Analyse von bodenphysikalischen, bodenökologischen und entomologischen Untersuchungen fehlt ebenso wie die Bestimmung der Standorteigenschaften, die die Auswirkungen des Verkehrs auf die Bodenorganismen vermitteln. Ziel unserer Studie ist es, auf der Grundlage dieser Zusammenhänge einen Bewertungsleitfaden für Waldbodenverdichtungen zu entwickeln, wobei mikrobielle, bodenfaunistische und entomologische Untersuchungen im Mittelpunkt dieser Entwicklungsarbeit stehen. Die offene Frage, der wir nachgehen wollen, ist also, wie sich der Grad der Bodenverdichtung auf die Biodiversität der Bodenorganismen auswirkt, wobei wir den Zusammenhang zwischen den abiotischen Indikatoren der Störungsintensität und der Anfälligkeit der biotischen Gemeinschaft für diesen Einfluss untersuchen.

Im Oberrheingebiet ergeben sich durch den Klimawandel massive Herausforderungen für die
Forstwirtschaft. Neben den Umweltveränderungen durch den Klimawandel wie Dürre und Hitze
stellen die dortigen Maikäfer-Populationen eine Dimension dar. Die potenziellen Veränderungen im
Baumartenspektrum sollen in Bezug auf das Risiko durch Maikäfer bewertet und in ein Species
Distribution Modelling (SDM) als Szenarien eingebunden werden. Dies ergibt sich aufgrund der
unterschiedlichen Nahrungsqualität für die Weibchen während ihres Reifungsfraßes an Blättern von
Laubbäumen, die sich auf die Eiproduktion und damit auf das Reproduktionspotenzial auswirkt.
Dabei sollen die Unterschiede zwischen heimischen und neuen alternativen Baumarten, die als
klimastabil erachtet werden, in zwei Wiederholungen experimentell herausgearbeitet werden.
Neben den etablierten Baumarten Roteiche, Traubeneiche und Winterlinde werden Flaumeiche,
Spitzahorn und die neophytische Spätblühende Traubenkirsche in den Fütterungsexperimenten
getestet.

Käfer als holometabole Organismen durchlaufen im Laufe ihres Lebens dramatische Entwicklungsveränderungen. Sie schlüpfen aus einem in Pflanzensubstrat gelegtem Ei, entwickeln sich durch eine Larvenphase, die sich durch schnelle Nahrungsaufnahme und Wachstum auszeichnet, durchlaufen während der Verpuppung eine intensive morphologische Modifikation, um sich weiter zu einem adulten Kaefer zu entwickeln, der das Nest verlässt und ein neues Nest gründet.

Wir wollen verstehen, welche Mikroorganismen in den verschiedenen Lebensstadien eine Rolle spielen, woher sie stammen (wurden sie aus der Umwelt aufgenommen oder vertikal von Generation zu Generation weitergegeben) und was sie Vorteile für die Käfer haben. Wir werden versuchen, dies durch eine Kombination aus molekularen Methoden (wer ist praesent und wie verändert sich die Mikrobengemeinschaft unter bestimmten Bedingungen?), Kultivierung (sie „in unseren Händen“ zu haben, gibt uns Möglichkeiten zu detaillierter Charakterisierung) und Experimenten unter sowohl kontrollierten Laborbedingungen als auch unter natürlichen Bedingungen zu studieren.

Bei Rüsselkäfern, einschließlich Borkenkäfern, finden wir eine Vielzahl von Sozialsystemen, die von rein solitären (Pflanzen attackierende Rüsselkäfer) über Aggregation (einige Borken- und Ambrosiakäfer) ueber elterliche Fürsorge (alle Borken- und Ambrosiakäfer) bis hin zu alloparentaler Pflege und reproduktiver Arbeitsteilung (einige Ambrosia-Käfer) reichen. Eine Annahme ist, dass die soziale Evolution in einem positiven Feedback mit der Evolution von Pilzzucht (d.h. Management ekto-symbiotischer, mikrobieller Gemeinschaften) steht. Ob dies tatsächlich der Fall ist, muss noch bewiesen werden. Auch von anderen Insektengruppen wird angenommen, dass Sozialverhalten die Symbiose mit Mikroorganismen beeinflusst. Zum Beispiel beeinflussen soziale Interaktionen die Art wie Mikroben von Mutter auf Nachwuchs übertragen werden, was eventuell Auswirkungen auf die Koevolution zwischen dem Wirt und seinen Symbionten hat. Zugang zu unterschiedlichen, sozialen Käfersysteme zu haben, bietet uns die Möglichkeit, potenzielle „soziale“ Rollen von Symbionten in den Systemen zu untersuchen und zu verstehen.

Organismen passen sich an ihre Umgebung an, was für Borkenkäfer besonders wichtig ist, da sie, um ihr Überleben zu sichern, die Abwehrmechanismen der Bäume überwinden müssen. Mikrobiome können als flexiblere „Erweiterung“ des genetischen Repertoires des Wirts angesehen werden. Im Allgemeinen kann die Fähigkeit der mikrobiellen Gemeinschaft, ihre Zusammensetzung, Genetik oder Genexpressionsmuster als Reaktion auf natürliche Selektion zu ändern, eine schnelle Akklimatisierung und Anpassung des Wirts an Umweltveränderungen forcieren. Dies kann möglicherweise eine Rolle beim Invasionserfolg einiger Borkenkäfer oder für die Populationsdynamik einiger aggressiver Borkenkäferarten spielen, wenn sie von toten zu lebenden Baumwirten wechseln. Daher wollen wir experimentell untersuchen, ob und wie sich Mikrobiome über mehrere Generationen hinweg unter bestimmten Selektionsfaktoren entwickeln und wie sich diese Veränderungen funktionell auf den Wirt auswirken.