Chemische Ökologie von Borken- und Ambrosiakäfer-Assoziationen mit Mikroben

Wir wollen verstehen, wie Borken- und Ambrosiakäfer mit Pilzen und Bakterien interagieren und wie dies ihren Erfolg bei der Besiedlung von Bäumen beeinflusst.

Borken- und Ambrosiakäfer (Coleoptera: Curculionidae) sind eine äußerst vielfältige Gruppe von Insekten, die in Wäldern in weiten Teilen der Welt vorkommen. Einige Arten sind bedeutende Schädlinge an wilden Bäumen und Bäumen in Plantagen, die bei Massenausbrüchen jährlich Millionen Hektar an Bäumen vernichten.

Sowohl Borken- als auch Ambrosiakäfer haben die bemerkenswerte Fähigkeit, die Rinde und das Holz von Bäumen zu besiedeln, also Substrate, die einen sehr geringen Nährstoffgehalt haben und oft gut durch chemische Abwehrstoffe geschützt sind. Dieser Erfolg wird häufig auf die mit ihnen assoziierten Mikroorganismen zurückgeführt.

Wir untersuchen, wie Pilz- und Bakterienassoziationen das Überleben von Käfern auf Bäumen erleichtern, indem sie Nährstoffe liefern, Käfer vor krankheitserregenden Mikroben schützen und die Abwehrstoffe der Bäume entgiften. Unsere Forschung umfasst eine Vielzahl verschiedener Mikroben (Bakterien, Hefen und Fadenpilze), die im Käfer oder als freilebende Assoziierte vorkommen.

Wir wenden verschiedene Methoden an, darunter mikrobiologische Kultivierung, Sequenzierung und Transkriptomik, Verhaltens- und Leistungstests für Käfer, Isolierung und Charakterisierung von chemischen Substanzen sowie die Aufklärung von Stoffwechselwegen. Ein Ziel ist es, Die Gene von Mikroben und Insekten u isolieren, die für Enzyme kodieren, die am Nahrungserwerb, an der Entgiftung von Baumabwehrstoffen und an der Biosynthese von mikrobiellen Abwehrstoffen gegen antagonistische Mikroben beteiligt sind. Diese Gene werden manipuliert, um Hypothesen über die ökologischen Funktionen von Biosynthese- oder Katabolismuswegen zu testen, und ihre Expression wird überwacht, um festzustellen, wie die Interaktionen zwischen Insekten und Mikroben sowie zwischen Mikroben und Mikroben reguliert werden.

I) Projekte, die sich mit Ambrosia-Käfern und den mit ihnen verbundenen Mikroben befassen

Die Ernährungs- und Verteidigungsfunktion von Alloascoidea hylecoeti, dem Pilzsymbionten des Buchenwerftkäfers Elateroides dermestoides

Beteiligte Forscher:innen: Yu Pan, Dr. Maximilian Lehenberger, Dr. Laure Martinelli

Der Buchenwerftkäfer (Coleoptera: Lymexylidae) ist einer der wenigen nicht-sozialen, pilzbewirtschaftenden Ambrosia-Käfer. Im Gegensatz zu anderen Ambrosiakäfern, bei denen die Brutpflege die Regel ist, legt ein Weibchen von E. dermestoides ein Ei in die Rinde eines Baumes (sowohl Nadel- als auch Laubhölzer werden besiedelt) und stirbt danach. Die Larve muss bis zu drei Jahre in einer sehr konkurrenzbetonten Umgebung überleben, um ihren Lebenszyklus zu vollenden. Über den Käfer und seinen mikrobiellen Partner, einen hefeartigen Pilz aus der Familie der Saccharomycetales, ist jedoch nur wenig bekannt. In diesem Projekt untersuchen wir den Nährwert des assoziierten mutualistischen Pilzes sowie seine defensiven Sekundärmetaboliten und vergleichen sie mit denen anderer Borken- und Ambrosiakäferpilze, antagonistischer Pilze und gewöhnlicher holzabbauender Pilze. Darüber hinaus werden die an der Biosynthese von Sekundärmetaboliten in A. hylecoeti beteiligten Stoffwechselwege untersucht.

Die Rolle von Hefen in Verbindung mit Borken- und Ambrosiakäfern

Beteiligte Forscher: Leandro Santiago Padilla (Masterstudent), Dr. Maximilian Lehenberger

Kollaborationspartner: Dr. Dineshkumar Kandasamy (Universität Lund, Schweden)

Insekten sind bekannt für ihre symbiotische Verbindung mit bestimmten Hefen, die sowohl der Ernährung als auch der Verteidigung dienen können. Ein berühmtes Beispiel ist die Essigfliege Drosophila, bei der bereits mehrere Studien über symbiotische Hefen durchgeführt wurden. Hefen (vor allem der Gattungen Candida und Pichia) wurden häufig aus Borken- und Ambrosiakäfern isoliert, aber über ihre Funktion und mögliche positive Auswirkungen auf ihre Käferwirte ist fast nichts bekannt. Wir wollen den Nährwert verschiedener käferassoziierter Hefen vergleichen, um neue Erkenntnisse über eine mögliche Rolle als Nahrungsquelle für die Käfer zu gewinnen, einschließlich Verhaltensversuchen mit Käfern und Larven zur Untersuchung der Attraktivität. Mögliche Verteidigungsfunktionen werden durch die Analyse von Sekundärmetaboliten und flüchtigen Stoffen sowie durch Bioassays mit gängigen antagonistischen Pilzen untersucht.

Elementare Zusammensetzung von Borken- und Ambrosiakäferpilzen

Beteiligte Forscher:innen: Stefanie Ungerer (Bachelorprojekt), Dr. Maximilian Lehenberger

Kollaborationspartner: Dr. Gros (TLLLR)

Jahrzehntelang ging man davon aus, dass die mutualistischen Pilze von  Borken- und Ambrosiakäfern äußerst nährstoffreich sind, da sie die einzige Nahrungsquelle für die Käfer darstellen. Frühere Studien haben bereits gezeigt, dass die Nester von Ambrosiakäfern stark mit essenziellen Elementen wie Phosphor, Magnesium, Kalzium, Kalium und Stickstoff angereichert sind. Eine vergleichende Studie, die die Zusammensetzung der gesamten Elemente verschiedener mutualistischer Käferpilze untersuchte, wurde jedoch noch nicht durchgeführt.

II) Projekte, die sich auf den Borkenkäfer Ips typographus und die mit ihm verbundenen Mikroben konzentrieren

Millionen Hektar Fichten (Picea abies) in Deutschland und den umliegenden Ländern werden jedes Jahr vom Buchdrucker (Ips typographus) getötet. Die Ausbrüche nehmen aufgrund der steigenden Temperaturen zu, die den Lebenszyklus des Käfers beschleunigen und den Stress für die Bäume erhöhen. Der Besiedlungserfolg von I. typographus hängt von der Anwesenheit von Symbionten ab, insbesondere von freilebenden Bläuepilzen aus der Ordnung Ophiostomatales. Obwohl der genaue Nutzen und das Ausmaß dieser Assoziationen noch nicht genau bekannt sind, könnten diese ektosymbiotischen Pilze die Abwehrkräfte des Wirtsbaums erschöpfen, Abwehrstoffe des Baums verstoffwechseln, den Larven und ausgewachsenen Tieren Nährstoffe liefern oder sie vor schädlichen Mikroben schützen. Die vielen Fragen rund um dieses vielschichtige Ökosystem stehen im Mittelpunkt verschiedener Projekte unserer Gruppe, die alle darauf abzielen, Erkenntnisse über die ökologischen Interaktionen und Strategien zu gewinnen, die für den baumschädigenden Erfolg von I. typographus verantwortlich sind.

Auswirkungen von ophiostomatoiden Pilzen auf Ernährung und Fitness von Ips typographus

Beteiligte Forscherin: Emily Puckett

Kollaborationspartner: Dr. Dineshkumar Kandasamy (Universität Lund, Schweden), Dr. Axel Schmidt (Abwehr von Nadelbäumen)

Baumrinde ist ein schwieriges Substrat für Insekten, nicht nur wegen ihrer Abwehrstoffe, sondern auch wegen ihrer geringen Konzentration an zugänglichen Nährstoffen. Wie bei vielen Insekten besteht auch bei Borkenkäfern ein Missverhältnis zwischen dem, was sie benötigen, und dem, was ihre Wirte bieten können. Diese Diskrepanz wird häufig mit Hilfe eines mikrobiellen Symbionten überwunden, der entweder in den Organen des Insekts lebt oder in seiner Umgebung zu finden ist. Neben der Bereitstellung von Nährstoffen, die im Wirtsgewebe nicht in ausreichender Menge vorhanden sind, können Mikroben den Insekten auch Zugang zu ansonsten nährstoffarmen Substraten verschaffen. Mit einer Kombination aus chemischen und verhaltensbiologischen Tests versuchen wir herauszufinden, ob einer oder mehrere der mikrobiellen Partner von Ips typographus als Nahrungssymbionten fungieren.

Die Rolle der bakteriellen Symbionten für die Ökologie der Borkenkäfer

Beteiligte Forscherin: Ana Patricia Baños Quintana

Co-Betreuer: Prof. Dr. Martin Kaltenpoth, Abteilung Insektensymbiose

Das Mikrobiom von Ips typographus wurde bereits charakterisiert, aber seine Rolle bei der erfolgreichen Besiedlung durch den Borkenkäfer ist noch nicht genau bekannt. Bakterielle Symbionten im Darm könnten auch eine wichtige Rolle bei der Förderung des Käferbefalls spielen, indem sie wichtige Nährstoffe liefern oder die Abwehrkräfte des Wirtsbaums entgiften. Wir untersuchen die Rolle der mikrobiellen Darmgemeinschaft bei der Förderung der Borkenkäferentwicklung auf Fichten durch eine Kombination aus kulturabhängiger und -unabhängiger Mikrobiota-Profilierung, Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung, Metagenomik und Metatranskriptomik von Käferdärmen, manipulativen Bioassays und chemischer Analytik. Das Wissen über die Rolle der mikrobiellen Darmsymbionten im Lebenszyklus des Borkenkäfers könnte neue Erkenntnisse darüber liefern, wie die Insekten auf Bäumen mit geringem Nährstoffgehalt und reichhaltigen chemischen Abwehrstoffen überleben können, und neue Strategien zur Bekämpfung dieses Schädlings aufzeigen.

Toxizität von Fichtenphenolen für Ips typographus und ihre assoziierten Pilze

Beteiligte Forscherin: Sadia Zaman Shormee (Masterstudentin)

Kollaborationspartner: Dr. Dineshkumar Kandasamy (Universität Lund, Schweden), Dr. Henrik Hartmann (Allokation in Pflanzen, MPI für Biogeochemie)

Die Gemeine Fichte (Picea abies) ist eine der vorherrschenden Baumarten in Europa. Diese Baumart wird häufig von dem zerstörerischen Käfer Ips typographus befallen. Wenn eine Fichte angegriffen wird, verteidigt sie sich, indem sie verschiedene Arten von chemischen Verbindungen, darunter Phenole, produziert. In diesem Projekt arbeiten wir mit vier wichtigen phenolischen Verbindungen, nämlich Astringin, Catechin, Isorhapontin und Taxifolin. Wir sind daran interessiert, die Wirkung dieser Verbindungen auf den Borkenkäfer und seine Pilzsymbionten zu untersuchen. Mit Hilfe eines halbkünstlichen Ernährungsansatzes untersuchen wir die toxische Wirkung dieser Verbindungen auf das Wachstum und die Entwicklung des Borkenkäfers. Ein weiteres Ziel dieses Projekts ist es, die Rolle der symbiotischen Pilze bei der Entgiftung zu untersuchen. Dazu verwenden wir Bioassays, um die Veränderungen des Phenolgehalts in Gegenwart des Pilzes zu untersuchen.

Stoffwechel von phenolischen Abwehrstoffen der Fichte durch einen Borkenkäfer und einen symbiotischen Pilz

Beteiligte Forscherinnen: Baoyu Hu, Dr. Ruo Sun

Natürliche Interaktionen zwischen Pflanzen, pflanzenfressenden Insekten und ihren symbiotischen Pilzen sind in terrestrischen Ökosystemen allgegenwärtig. Die Fichte ist anfällig für den Befall durch den Buchdrucker Ips typographus und seinen symbiotischen Pilz. Der Symbiont wird bei einem Borkenkäferbefall in den Wirtsbaum eingeschleppt, und es wird angenommen, dass dieser Befall die Entwicklung des Borkenkäfers fördert, indem er den Gehalt an chemischen Abwehrstoffen der Fichte verringert. Es wird angenommen, dass neben Oleoresinen auch phenolische Abwehrstoffe die Fichte vor Schädlingsbefall und Pilzinfektionen schützen. Der Mechanismus, durch den sich Borkenkäfer und ihre Pilzpartner an die phenolischen Abwehrstoffe der Fichte angepasst haben, ist jedoch noch unklar. In diesem Projekt wollen wir die Entgiftungsstrategien aufdecken, die der Borkenkäfer und sein Symbiont anwenden, um die Abwehr der Fichte zu überwinden. Erstens werden Bioassays durchgeführt, um den Einfluss von phenolischen Chemikalien aus Fichten auf Borkenkäfer mit oder ohne ihre symbiotischen Pilze zu ermitteln. Zweitens sollen die Wege des Phenolabbaus sowohl im Borkenkäfer als auch in seinem Pilzpartner bestimmt werden. Anschließend werden die Stoffwechselmechanismen auf der Ebene der Proteine und Gene untersucht. Schließlich hoffen wir zu verstehen, wie die Interaktion zwischen dem Borkenkäfer und den mit ihm assoziierten Pilzen zu einer erfolgreichen Besiedlung des Wirtsbaums führt.

Die Rolle der phenolischen Substanzen bei der Interaktion zwischen Borkenkäfer und einem entomopathogenen Pilz

Beteiligte Forscherinnen: Baoyu Hu, Dr. Ruo Sun

Die Fichte (Picea abies) produziert chemische Abwehrstoffe wie Terpene und Phenole, um sich vor Pflanzenfressern und Krankheitserregern zu schützen. In natürlichen Systemen ist die Fichte jedoch anfällig für den Befall durch den Buchdrucker Ips typographus. Entomopathogene Pilze sind natürliche Insektenpathogene, die Krankheiten verursachen und somit eine große Anzahl von Arthropoden-Schädlingen, einschließlich Borkenkäfern, kontrollieren können. Es ist bekannt, dass bestimmte Pflanzenfresser chemische Abwehrstoffe von Pflanzen rekrutieren und zur Abwehr von Krankheitserregern einsetzen können. In unserem Projekt werden wir daher die metabolische Fähigkeit des entomopathogenen Pilzes untersuchen, phenolische Abwehrstoffe abzubauen, die in Borkenkäfern vorkommen, die Fichten angreifen. Außerdem werden wir nach den Genen und Proteinen des Entomopathogens suchen, die an diesen Abbauprozessen beteiligt sind.

Die Rolle baumabtötender Borkenkäfer-assoziierter Pilze bei der Entgiftung von Terpenoiden

Beteiligte Forscherin: Dr. Laure Martinelli

Kollaborationspartner: Dr. Dineshkumar Kandasamy (Universität Lund, Schweden)

Um den Baum erfolgreich besiedeln zu können, müssen Borkenkäfer der Art I. typographus und seine mutualistischen Symbionten mit verschiedenen chemischen Abwehrmechanismen fertig werden, darunter auch das terpenoidreiche Harz. Frühere Studien haben gezeigt, dass die flüchtige Fraktion des Harzes, insbesondere die Monoterpene, für den Kolonisierungsprozess genutzt werden könnten. Ips typographus kann das vorherrschende Wirtsmonoterpen α-Pinen zu cis-Verbenol oxidieren, einem Aggregationspheromon, das zur Anlockung von Artgenossen für einen Massenangriff dient. Darüber hinaus haben frühere Arbeiten gezeigt, dass I. typographus auf flüchtige Stoffe reagiert, die von seinen ophiostomatoiden Symbionten biosynthetisiert werden, um geeignete Kolonisationsorte zu identifizieren und spezifische Käfer-Pilz-Assoziationen aufrechtzuerhalten. Über die Fähigkeit dieser Ektosymbionten, Mono- und Sesquiterpene aus den Oleoresinen der Wirtsbäume zu metabolisieren, ist jedoch wenig bekannt.

In diesem Projekt soll der Terpenoid-Stoffwechsel verschiedener mit I. typographus assoziierter Pilze (Grosmannia penicillata, G. europhioides, Endoconidiophora polonica und Ophiostoma bicolor) untersucht werden, indem die Fähigkeit der Pilze zur Entgiftung von Fichtenharz-Terpenoiden, die Bestimmung der Produkte und die Bewertung ihrer Wirkung auf den Borkenkäfer untersucht werden. Außerdem untersuchen wir die Korrelation zwischen Metaboliten- und Genexpressionsprofilen, um die am Terpenoid-Stoffwechsel beteiligten Stoffwechselwege der Pilze zu entschlüsseln. Wir hoffen auch, Pilze gentechnisch so zu verändern, dass ihr Terpenoid-Stoffwechsel verändert wird, um die Auswirkungen eines solchen Stoffwechsels auf die Leistung und das Verhalten von Borkenkäfern zu bewerten.

Identifizierung neuer Naturstoffe in Borkenkäfer-assoziierten Pilzen

Beteilgte Forscherin: Dr. Christiane Förster

Pilze sind im Allgemeinen für ihre enorme Fähigkeit bekannt, Naturstoffe zu produzieren, die auch als spezialisierte Metaboliten bekannt sind und die nicht für das normale Wachstum benötigt werden, aber für ihre Interaktionen mit anderen Organismen in ihrer Umgebung wesentlich sind. Darüber hinaus besteht ein großes Interesse an diesen Verbindungen für Anwendungen in der Humanmedizin, z. B. als Antibiotika. Die Gene, die an der Bildung eines spezialisierten Metaboliten beteiligt sind, liegen im Pilzgenom in der Regel dicht beieinander und bilden so genannte Biosynthese-Gencluster (BGCs), von denen viele nur unter bestimmten Umweltbedingungen aktiviert werden (z.B. bei Stress aufgrund von Nährstoffmangel, Umgebungstemperatur oder Konkurrenz mit anderen Mikroben). Innerhalb des Borkenkäfer-Holobionten könnte die Produktion solcher Verbindungen durch freilebende Pilzpartner von I. typographus die Besiedlung des Baums durch letzteren fördern, indem sie die Abwehrkräfte des Wirtsbaums unterdrücken (über Mykotoxine) oder schädliche Mikroben abwehren (über Antibiotika), darunter Feinde des Borkenkäfers wie den entomopathogenen Pilz Beauveria bassiana und gängige antagonistische Pilze wie Trichoderma spp. oder Penicillium spp. Die Bedingungen, die zur Aktivierung von BGC führen, die tatsächliche Identität der Verbindungen und ihre ökologische Rolle sind jedoch unbekannt.

In diesem Projekt wollen wir die Produktion neuer Naturstoffe in mehreren mit I. typographus assoziierten Pilzen (E. polonica, G. penicillata, O. bicolor und Cylindrobasidium ipidophilum) untersuchen und ihre ökologische Bedeutung und ihren Beitrag zur erfolgreichen Besiedlung des Wirtsbaums durch den Borkenkäfer erforschen. Durch den Einsatz verschiedener Kultivierungsbedingungen zur Aktivierung von BGCs und damit zur Auslösung der Biosynthese von Naturstoffen, gefolgt von vergleichender Massenspektrometrie-basierter Metabolomik, Isolierung, chemischer Charakterisierung und Bioassays, hoffen wir, neue spezialisierte Metaboliten mit relevanten Bioaktivitäten zu entdecken und zu identifizieren. Ein weiteres Ziel ist es, die Biosynthese von Naturstoffen mit den entsprechenden BGCs durch einen transkriptomischen Ansatz zu verknüpfen, der eine Manipulation der Pilzgene und eine eingehendere Untersuchung der ökologischen Funktionen dieser Verbindungen ermöglichen wird.

Die Rolle der endosymbiotischen Darmbakterien von Hylobius abietis bei der Entgiftung von Terpenen

Beteiligte Forscher:innen: Kristina Kshatriya, Dr. Axel Schmidt (Abwehr von Nadelbäumen)

Der Fichtenrüsselkäfer (Hylobius abietis) ist ein bedeutender Schädling in europäischen Nadelwäldern, wo sich die erwachsenen Tiere von der Rinde und dem Kambium von Fichten- und Kiefernsämlingen ernähren. Nadelbäume sind durch ein komplexes Gemisch von Sekundärmetaboliten, hauptsächlich Terpenoid-Oleoresine und phenolische Verbindungen, gegen rindenfressende Herbivoren geschützt. Ausgewachsene Fichtenrüsselkäfer müssen daher mit einer komplexen Mischung schädlicher Sekundärmetaboliten in ihrer Nahrung zurechtkommen, zusätzlich zu dem Problem, eine Nahrungsquelle zu nutzen, die hauptsächlich aus Lignocellulose besteht.

Es ist bekannt, dass viele Insekten symbiotische Mikroorganismen in ihrem Verdauungssystem beherbergen, die es dem Wirt ermöglichen, sich von suboptimaler Nahrung zu ernähren, indem sie die Verdauungseffizienz verbessern, die Nahrung mit limitierenden Vitaminen oder Aminosäuren ergänzen oder sekundäre Pflanzenmetaboliten entgiften. Über den Abbau von Lignin oder Mono- und Sesquiterpenen sowie Diterpenharzsäuren, den Bestandteilen von Nadelharz, durch symbiotische Mikroorganismen ist jedoch wenig bekannt.

Wir erforschen, wie der Fichtenrüsselkäfer mit hohen Konzentrationen von Terpenen in der Rinde und im Kambium des Wirts zurechtkommt, indem wir das metabolische Schicksal dieser Verbindungen und ihre Wirkung auf den Käfer aufklären. Um die mögliche Rolle der Darmmikroorganismen bei der Entgiftung von Terpenen und bei der Holzverdauung zu verstehen, verwenden wir kulturabhängige und -unabhängige Methoden sowie metabolische und genomische Analysen, um die Darmmikrobiota des Fichtenrüsselkäfers funktionell zu charakterisieren. Die Aufklärung des Verbleibs von Terpenen in diesem System wird Aufschluss darüber geben, wie Insekten mit pflanzeninduzierten Abwehrmechanismen zurechtkommen und wie einige Symbionten ihren Wirten ermöglichen, ansonsten unzugängliche Nahrungsquellen zu nutzen.