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Forschung

Projekte

Funktionen mikrobieller Symbionten bei pilzezüchtenden Käfern

Fruchtkörper eines Raffaella Ambrosiapilzes unter dem REM Mikroskops (1000× Vergrößerung). © Peter Biedermann
Fruchtkörper eines Raffaella Ambrosiapilzes unter dem REM Mikroskops (1000× Vergrößerung). © Peter Biedermann
Schimmelpilz unter dem REM Mikroskop. ©  Universitätsklinikum Jena
Schimmelpilz unter dem REM Mikroskop.
© Universitätsklinikum Jena

Ambrosiakäfer wie der Kleine Holzbohrer Xyleborinus saxesenii leben in selbstgebauten Gängen in Holz. An den Wänden der Tunnels und Kammern bauen sie ihre Pilzgärten an. Diese Gärten werden von zwei Nahrungspilzen dominiert, aber auch andere Mikroben wachsen dort. Einige Schimmelpilze scheinen parasitär zu sein und haben negative Auswirkungen auf die Anzahl der Nachkommen der Käfer. In diesem Projekt erforschen wir die Faktoren, die die Zusammenstellung der mikrobiellen Gemeinschaft in den Käfernestern beeinflussen, und wir möchten herausfinden, welche Mechanismen die Käfer anwenden, um ihre Nahrungspilze anzubauen.

In einem ersten Schritt identifizieren wir die Mikrobengemeinschaft, die mit zwei einheimischen Ambrosiakäfer-Arten assoziiert sind: dem Kleinen Holzbohrer X. saxesenii und dem Schwarzen Nutzholzborkenkäfer Xylosandrus germanus. Wir untersuchen die Reihenfolge, in der verschiedene Mikroben in den Nestern zu finden sind. Anschließend testen wir, wie diese Mikroben miteinander interagieren. Hierfür wenden wir modernste molekulare und bildgebende Techniken an (z.B. next-generation sequencing, SEM, FISH).

Vorhergehende Studien haben Hinweise geliefert, dass Käfer der Art X. saxesenii beeinflussen können, welche Pilze in ihren Nestern wachsen. Und zwar auf zwei verschiedene Arten: erstens, indem sie die Verbreitung von Schimmelpilzen unterdrücken und zweitens, indem sie das Wachstum ihrer Nahrungspilze steigern und anregen, dass diese Fruchtkörper produzieren. Nur in Anwesenheit der Käfer können die Pilze Fruchtkörper, so genannte Conidien, bilden. Die Mechanismen, die diesen Effekten zu Grunde liegen, werden in diesem Projekt ebenfalls untersucht. Vorläufige Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Käfer hierfür weitere Symbionten „nutzen“. Diese stellen also zusätzliche mutualistische Partner in diesem System dar,  neben den Käfern und ihren Nahrungspilzen.

Am Projekt beteiligte Personen:

Pamela Baumann
(Bachelor- und Master-Projekt)

Zusammenarbeit mit:

 Dan Vanderpool
Microbial genomics and symbiosis, Univ. of Montana, US

Miroslav Kolarik
Institute of Microbiology, Czech Academy of Science, Prague, CZ 

Symbionten der parasitären Dendroctonus-Borkenkäfer

Verschiedene Symbionten werden im Labor gezüchtet. ©  Jürgen Lösel
Verschiedene Symbionten werden im Labor gezüchtet.
© Jürgen Lösel

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.

Beteiligte Personen:

 Loic Dohet
(PhD-Projekt)
Biological Control and Spatial Ecology Lab (LUBIES), Université Libre de Bruxelles, BE

Zusammenarbeit mit:

Jean-Claude Gregoire
Biological Control and Spatial Ecology Lab (LUBIES), Université Libre de Bruxelles, BE

Soziale Immunität bei Ambrosiakäfern und chemische Erkennung der Pilzsymbionten

Adulte Käfer der Art X. saxesenii in ihrem Nest. © Gernot Kunz
Adulte Käfer der Art X. saxesenii in ihrem Nest. © Gernot Kunz

In komplexen Insektengemeinschaften leben die verschiedenen Individuen in großer räumlicher Nähe und sind nah miteinander verwandt. Diese beiden Faktoren sollten eigentlich dazu führen, dass sich Parasiten schnell verbreiten. Zugleich fördern sie aber auch die Evolution sozialer Verhaltensweisen. Und diese können wiederum helfen, Parasiten zu bekämpfen (neben chemischen Abwehrmechanismen). Im ersten Teil dieses Projekts untersuchen wir die sozialen Abwehrmechanismen beim Ambrosiakäfer Xyleborinus saxesenii. Hierfür setzen wir Käfer experimentell pathogenen Mikroorganismen aus, vor allem Schimmelpilzen. Erste Ergebnisse zeigen, dass die Käfer in dieser Situation vermehrt Hygieneverhalten zeigen, also zum Beispiel sich selbst oder andere Käfer putzen, wodurch sie vermutlich den Parasitenbefall auf ihren Körperoberflächen vermindern. Außerdem gibt es mehr Kannibalismus, wodurch von Schimmel befallene Individuen beseitigt werden. Solche kollektiven Pathogen-Abwehrmechanismen (soziale Immunität) waren bisher bei Käfern nicht bekannt.

Im zweiten Teil dieses Projekts testen wir, ob die Käfer sich über den Geruchssinn (olfaktorisch) orientieren, wenn sie einen neuen Lebensraum suchen, also einen kürzlich abgestorbenen Baum mit spezifischen chemischen Merkmalen. In einem Pilotversuch haben wir herausgefunden, dass die Käfer von zwei Gerüchen angezogen werden: von flüchtigen Stoffen jener Pilze, die am häufigsten als mutualistischen Symbionten in ihren Nestern vorkommen, sowie von Ethanol, das bei Zersetzungsprozessen entsteht und daher von frisch abgestorbenen Bäumen verströmt wird. Das weist darauf hin, dass die Käfer olfaktorische Hinweise nutzen um neue Nistplätze zu finden. Einerseits sind dies Hinweise darauf, dass Artgenossen bereits erfolgreich Pilzgärten in diesem Baum angelegt haben, andererseits gibt das Ethanol einen Hinweis auf den Zustand des Wirtsbaumes. Überraschenderweise fanden wir keinen abschreckenden Effekt flüchtiger Stoffe, die von pathogenen (krankmachenden) Pilzen produziert werden.

Beteiligte Personen:

Jon Andreja Nuotclà
(MSc- und PhD-Projekt)
Dep. Behavioural Ecology, University of Bern, CH

Zusammenarbeit mit:

Prof Michael Taborsky
Dep. Behaviour Ecology, University of Bern, CH

Gerrit Holighaus, 
Dep Forest Zoology, University of Göttingen, DE

Dineshkumar Kandasamy,
Dep Biochemistry, MPI-CE, DE

Prof Marko Rohlfs
Dep. Population Ecology, University of Bremen, DE

Yeganeh Gharabigloozare, 
Dep. Biochemistry, MPI-CE, DE

Weiterführende Literatur:

Nuotclà (2015): Master thesis.
Vom Autor auf Anfrage erhältlich.

Diversität der Pilzsymbionten von Ambrosiakäfern

Laborkultur des Ambrosia-Pilzes. ©  Peter Biedermann
Laborkultur des Ambrosia-Pilzes. © Peter Biedermann

Ambrosiakäfer leben in Tunnelsystemen (‚Gallerien‘) im Holz kürzlich abgestorbener oder absterbender Bäume. An den Tunnelwänden pflanzen sie verschiedene Pilze an. Die genaue Zusammensetzung dieser Pilzgemeinschaften ist kaum untersucht, es ist jedoch bekannt, dass die Pilzgärten von bestimmten Arten der Ambrosiapilze dominiert werden. Diese Arten findet man ausschließlich in den Käfernestern. Ambrosiapilze sind Schlauchpilze und gehören zu den Gattungen Raffaelea (Sordariomycetidae), Ambrosiella (Ceratocystidaceae) oder Fusarium (Hypocreales). Sie produzieren geschwollene Hyphen, die den Käfern als alleinige Nahrungsquelle dienen. Es ist bekannt, dass die Pilze sich asexuell vermehren; ob zudem auch sexuelle Fortpflanzung stattfindet wurde jedoch noch nie untersucht. Wenn die Weibchen ihre Geburtsnester verlassen und neue Bäume besiedeln, tragen sie asexuelle Sporen in ihre neuen Nester. Diesen Mechanismus nennt man vertikale Übertragung. Es ist jedoch nicht endgültig geklärt, ob auch eine Übertragung zwischen bereits bestehenden Nestern (horizontale Übertragung) möglich ist.

Wenn sich die Pilze nur asexuell vermehren würden, und wenn die vertikale Übertragung der einzige Weg wäre, auf dem Sporen neue Nester erreichen könnten, würde dies zu einer geringen genetischen Vielfalt der Pilze zwischen verschiedenen Käferpopulationen führen. In diesem Projekt bestimmen wir die genetische Vielfalt der Pilze von Käferpopulationen aus ganz Zentraleuropa. Das Ziel ist, die Diversität der Ambrosiella oder Raffaelea Genotypen zwischen und innerhalb der Käferpopulationen zu bestimmen. Unsere Ergebnisse werden helfen, zu verstehen, wie häufig symbiotische Pilze horizontal zwischen Nestern ausgetauscht werden, und Aufschluss über das Auftreten und die Häufigkeit der sexuellen Vermehrung der Pilze geben. Zusätzlich werden wir in Zusammenarbeit mit T. Harrington neue Pilzarten identifizieren.

Beteiligte Personen:

 Loic Dohet
(PhD-Projekt)
Biological Control and Spatial Ecology Lab (LUBIES), Université Libre de Bruxelles, BE

Zusammenarbeit mit:

Prof Tom Harrington
Department of Plant Pathology, Iowa State University, US

Soziales Verhalten der Kaffeekirschenkäfer

Ein Kaffekirschenkäfer auf einer Kaffebohne.  ©  Peggy Grebb / USDA-ARS
Ein Kaffekirschenkäfer auf einer Kaffebohne.
© Peggy Grebb / USDA-ARS

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.

Studienleiter:

Fernando Vega,
US Department of Agriculture, Maryland, US

Weiterführende Literatur:

Vega et. al. (2016), J. Appl. Ecol.

Interaktionen zwischen heimischen und eingeschleppten Ambrosiakäfern

Im Labor gezüchtete Ambrosiakäfer in künstlichen Nestern in Glasröhrchen. ©  Peter Biedermann
Im Labor gezüchtete Ambrosiakäfer in künstlichen Nestern in Glasröhrchen. © Peter Biedermann

Die internationale Verschleppung von nicht-einheimischen Waldinsekten stellt eine ernsthafte Bedrohung für Wälder weltweit dar. Borken- und Ambrosiakäfer (Curculionidae: Scolytinae) werden sehr häufig verschleppt, unter anderem da sie sehr leicht in Holzprodukten und Verpackungsmaterial transportiert werden. Mit dem stetigen Anstieg des internationalen Handels steigt somit auch das Risiko, diese Organismen einzuführen. Für Wissenschaftler und Forstwirte ist es aber auch wichtig, zu verstehen, warum Borken- und Ambrosiakäfer sich so leicht in Lebensräumen außerhalb ihrer natürlichen Verbreitungsgebiete ansiedeln, nachdem sie dorthin verschleppt wurden. Ziel dieses Forschungsgebietes ist es, Strategien zu entwickeln, um die Gefährdung zu beurteilen und die Ausbreitung nicht-einheimischer Arten durch gezieltes Management zu unterbinden.

In diesem Projekt wollen wir abschätzen, welchen Effekt nicht-einheimische Ambrosiakäferarten auf einheimische Arten haben können. Hierfür testen wir die Konkurrenzfähigkeit eines natürlich vorkommenden Ambrosiakäfers gegen die einer nicht-einheimischen Art, indem beide gemeinsam in einem künstlichen Medium aufgezogen werden. Um weiterhin zu testen, welche Rolle die symbiontischen Pilze für die Konkurrenzfähigkeit der verschiedenen Käferarten spielen, testen wir jene Pilze, die hauptsächlich mit den beiden Käferarten assoziiert sind, auf Nährmedium (Agar) gegeneinander.

Studienleiter:

Davide Rassati,
DAFNAE-Entomology, University of Padova, IT

Antworten von Pilz-Endophyten der Schwarz-Pappel auf Gallenblattläuse

Galle einer Pemphigus-Blattlaus auf Pappel. © S. Unsicker
Galle einer Pemphigus-Blattlaus auf Pappel. © S. Unsicker

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. e (pathogene).

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.

Zusammenarbeit mit:

Sybille Unsicker,
Dep. Biochemistry, MPI-CE

Interaktionen zwischen Disteln, endosymbiontischen Pilzen und pflanzenfressenden Käfern

Der Distelschildkäfer (Cassida rubiginosa)© Andrew Cannizzaro / Wikipedia / CC BY 2.0
Der Distelschildkäfer (Cassida rubiginosa)© Andrew Cannizzaro / Wikipedia / CC BY 2.0

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.

Beteiligte Personen:

Margo Wisselink,
Laboratory of Genetics, Wageningen University, NL

Zusammenarbeit mit:

Prof Duur Aanen
Laboratory of Genetics, Wageningen University, NL