Zum Schutz gegen schädliche Mikroorganismen schließen sich bestimmte Insekten wie Wollkäfer und Bienenwölfe mit symbiotischen Bakterien zusammen. Diese produzieren Antibiotika gegen schädliche Bakterien oder Antimykotika gegen pathogene Pilze und werden im Gegenzug von den Wirten vor deren eigenen Verteidigungsmechanismen beschützt. Untersuchungen solcher Schutzsymbiosen liefern nicht nur spannende Einblicke in die Biologie der Insekten, sondern können auch wertvolle Erkenntnisse für die Humanmedizin zu Tage fördern.

Monarchfalter, Milchkrautwanzen und Tigernattern haben erstaunliche Gemeinsamkeiten: Die Meister der Chemie enthalten giftige Steroide, die zum Herzstillstand führen können. Außerdem warnen sie Räuber mit ihren grell orangefarbenen Markierungen: "Wenn ihr mich fresst, werdet ihr es bereuen." Es ist kaum vorstellbar, dass Räuber eine so augenscheinlich gefährliche Beute verspeisen. Unsere Forschung zeigt jedoch, dass räuberische Tiere weltweit bemerkenswerte Fähigkeiten entwickelt haben, um diesen Giften zu widerstehen und trotz der lebensgefährlichen Nahrung zu überleben.

Blätter der Schwarzpappel sind besonders anfällig für Schwammspinnerbefall, wenn sie gleichzeitig von einem Pilz infiziert sind. Junge Schwammspinnerraupen, die mit Pilzsporen übersäte Blätter fressen, nehmen schneller an Gewicht zu und verpuppen sich früher als Raupen, die nur Blätter verspeisen. Ursache dafür könnte eine verbesserte Versorgung der Raupen mit Nährstoffen durch die Pilzsporen sein. Somit wären manche Pflanzenfresser auch Pilzfresser. Die Bedeutung von Pilzen und anderen Mikroorganismen bei der Koevolution von Pflanzen und Pflanzenfressern wurde vermutlich bislang unterschätzt.

Pflanzen produzieren eine große Anzahl komplexer Moleküle, die in ihrer natürlichen Umgebung unterschiedliche Funktionen haben. Viele dieser Substanzen werden in der traditionellen und modernen Medizin verwendet; einige haben lebensrettende Eigenschaften, wie z.B. das  Krebsmittel Vinblastin aus dem Madagaskar-Immergrün. Unser Ziel ist es, die grundlegenden chemischen, biologischen und evolutionären Prozesse aufzuklären, die der Biosynthese dieser Moleküle zugrunde liegen und die Produktion dieser Verbindungen mit Hilfe der synthetischen Biologie zu optimieren.

Pflanzen produzieren eine enorme Anzahl komplexer Moleküle, die für sie in ihrer natürlichen Umgebung unterschiedliche Funktionen haben. Viele dieser Substanzen werden in der traditionellen und modernen
Medizin verwendet; einige haben sogar lebensrettende Eigenschaften. Unser Ziel ist es, die chemischen, biologischen und evolutionären Prozesse aufzuklären, die der Biosynthese dieser Moleküle zugrunde liegen, um ihre Produktion mit Hilfe der synthetischen Biologie optimieren zu können.
 

Tabakschwärmerweibchen suchen mit Hilfe ihres Geruchsinnes nach passenden Pflanzen für die Eiablage. Neue Untersuchungen ergaben jetzt, dass nicht nur pflanzliche Duftstoffe die Wahl des Eiablageplatzes bestimmen, sondern auch der Kot von Artgenossen. Bestimmte Substanzen im Kot von Tabakschwärmerraupen signalisieren den Falterweibchen, dass bereits konkurrierende Artgenossen an der Pflanze fressen. Mit Hilfe der Genschere CRISPR/Cas9 konnte der Geruchsrezeptor identifiziert werden, der den typischen Kotgeruch erkennt und damit die Konkurrenzvermeidung bei der Eiablage steuert.

Einzellige Algen sind im Plankton und den Biofilmen unserer Ozeane allgegenwärtig. In unseren Arbeiten erforschen wir, wie chemische Signale mikrobielle Gemeinschaften steuern, seien es die weiträumigen Ansammlungen von Algen im Plankton der Ozeane oder temporäre Biofilm-Gemeinschaften. Wir konnten zeigen, dass sowohl Mikroalgen als auch Bakterien im Plankton eine bislang unbekannte Schwefelverbindung produzieren und damit sowohl mikrobielle Interaktionen als auch den weltweiten Schwefelkreislauf grundlegend beeinflussen.

ABC-Transporterproteine haben viele nützliche Funktionen in Insekten, wie z.B. die Bestimmung der Färbung des Raupenkörpers,der Augenfarbe von erwachsenen Insekten und vermutlich die Entgiftung pflanzlicher Abwehrstoffe. Aber ABC-Transporter sind auch anfällig für die Wirkung von Giftstoffen des Bakteriums Bacillus thuringiensis. Die Anwendung dieser Gifte in genetisch veränderten Kulturpflanzen schafft für Schadinsekten einen neuen evolutionären Konflikt zwischen Nutzen und Kosten von ABC-Transportern. Das gezielte Nutzen dieser Kenntnis kann bei der Bekämpfung von Schadinsekten helfen.

Einige Blattkäferarten benutzen flüchtige Terpene, um Artgenossen zu einer ergiebigen Futterquelle zu locken. Das dadurch ausgelöste massenhafte Auftreten der Käfer führt oft zu erheblichen Schäden in der Land- und Forstwirtschaft. Kürzlich konnte gezeigt werden, dass in Flohkäfern, einer Untergruppe der Blattkäfer, eine neue Familie von Terpensynthasen für die Bildung der flüchtigen Terpene verantwortlich ist. Das Wissen um die Biosynthese dieser Terpene kann helfen, neue Strategien im Kampf gegen Schadinsekten zu entwickeln.

Insektenfraß löst in Pflanzen frühe Abwehrsignale aus, die ein Netzwerk von Verteidigungsmechanismen aktivieren, um die Pflanze vor weiterem Befall zu schützen. Allerdings können diese die Überlebensfähigkeit von Pflanzen beeinträchtigen, da sie Ressourcen verbrauchen, die an anderer Stelle eingespart werden müssen. Daher brauchen Pflanzen ein Signalnetzwerk, das die Reaktion auf den Insektenbefall reguliert. Phylogenomische Analysen an wilden Tabakarten (Nicotiana spp.) deuten darauf hin, dass eine Genomvervielfältigung die Evolution früher Abwehrsignale in Pflanzen entscheidend geprägt hat.

Calciumionen (Ca²⁺) sind wichtige interzelluläre sekundäre Botenstoffe in Signalnetzwerken von Pflanzen. Nach Fraßschäden öffnen sich spezifische Ionenkanäle und es kommt zu einem schnellen, vorübergehenden Anstieg des cytoplasmatischen Ca²⁺-Levels. Diese erhöhten Levels können mit biolumineszentem Aequorin verfolgt werden: Es bindet spezifisch Ca²⁺ und beginnt zu leuchten. Dieses Signal wandert mit ca. 1 bis 2 cm/min durch das direkt verbundene vaskuläre System und korrespondiert mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Raupenfraß-induzierten elektrischen Signalen.

Als reproduktive Organe tragen Blüten zur Erhaltung und Verbreitung der jeweiligen Pflanzenart bei. Die dafür erforderliche visuelle und olfaktorische Kommunikation mit den Bestäubern erfolgt über Blütenfarbstoffe und das Duftbouquet der Blüten. In beiden Fällen sind chemische Verbindungen die Informationsträger. Die Bestäuber werden für ihre Dienste mit Nektar und Pollen belohnt, deren chemische Bestandteile – Zucker, Proteine und Lipide – als Nahrung dienen. Die qualitative und quantitative chemische Analyse der verschiedenen Blütenbestandteile ist eine der Aufgaben der chemischen Ökologie.

Der Geruchssinn ist für die meisten Insekten von zentraler Bedeutung. Bisher hat man angenommen, dass die wichtigste, ihm zugrunde liegende Rezeptorfamilie, die sogenannten olfaktorischen Rezeptoren, in der Evolution im Zuge des Landganges entstanden ist. Neueste Untersuchungen an flügellosen Insekten haben nun aber gezeigt, dass dies nicht der Fall ist. Wahrscheinlich war der entscheidende Faktor nicht der Landgang, sondern der Flug: Fliegende Insekten müssen Duftfahnen in weit höherer Geschwindigkeit auflösen können, wofür die älteren Rezeptorfamilien wahrscheinlich nicht ausreichten.

 

Die bildgebende Massenspektrometrie mit MALDI (Matrix-unterstützte Laser-Desorption/Ionisation) kann Oberflächenchemie sichtbar machen. Sie ermöglicht es, Senfölglycoside auf Pflanzenblättern zu lokalisieren, was Hinweise auf das Eiablageverhalten weiblicher Motten liefert. Auch die räumliche Verteilung fettsäureabgeleiteter Botenstoffe auf der Außenhaut von Fruchtfliegen konnte nachgewiesen und mit den Funktionen abgeglichen werden. Das Verfahren kann auch dazu dienen, weitere Stoffklassen auf Oberflächen zu untersuchen und so die chemische Kommunikation zwischen Organismen zu verstehen.

Mottenweibchen produzieren artspezifische Pheromone und locken damit Männchen an. Kleinste Änderungen des Dufts sowie die Neigung von Männchen, einem veränderten Geruch zu folgen, führt zu vermindertem Paarungserfolg und sollte daher negativ selektiert werden. Somit stehen wir vor einem Rätsel: Wie konnten sich trotz starker Selektion unterschiedliche Lockstoffe bei verschiedenen Mottenarten entwickeln? Neue Studien geben Aufschluss: Genetische Variation kann sogar innerhalb einer Art bestehen. Zum Teil ist diese auch für die Evolution von Unterschieden zwischen Arten verantwortlich.

Um zukünftig zehn Milliarden Menschen zu ernähren, werden Gebiete hoher Biodiversität durch landwirtschaftliche Monokulturen verdrängt. Biodiversität aber ist mit der natürlichen Produktivität und Stabilität von Ökosystemen verknüpft. Bisher konzentrierte sich die Forschung zur Biodiversität nur auf die taxonomische Vielfalt, ohne dabei den Beitrag der Vielfalt von Funktionen zu quantifizieren. Eine neue Projektgruppe am MPI für chemische Ökologie untersucht nun die Rolle funktioneller Diversität mithilfe von über 300 funktionell unterschiedlichen, genetisch fast identischen Pflanzen.

Symbiosen sind allgegenwärtig und für das Überleben von Tieren und Pflanzen von größter Bedeutung. Eine Gruppe von Grabwespen, die Bienenwölfe, schließt einen erstaunlichen Verteidigungspakt mit Bakterien: Durch die Produktion eines Cocktails aus Antibiotika schützen die Symbionten den Wespen-Nachwuchs im unterirdischen Kokon gegen Schimmelpilze und Bakterien. Dafür bietet der Bienenwolf den Partnern in seinen Antennen freie Kost und Logis. Diese Symbiose ist bereits in der Kreidezeit entstanden und könnte eine Schlüsselanpassung für den evolutionären Erfolg der Bienenwölfe gewesen sein.

Der Befall der Gemeinen Fichte durch den Borkenkäfer und den mit ihm assoziierten Blaufäulepilz ist mit großen ökologischen und ökonomischen Schäden verbunden. Allerdings wird immer wieder festgestellt, dass einzelne Bäume gegenüber dem Schädling resistent sind, was wahrscheinlich an den Sekundärmetaboliten liegt, die als Abwehrreaktion auf den Befall im Baum eingelagert werden. Sowohl Terpene, die die Hauptbestandteile des Harzes bilden, als auch polyphenolische Verbindungen könnten in einem genau abgestimmten Wechselspiel für die Abwehr und letztendlich die Resistenz verantwortlich sein.

Larven des Blattkäfers Chrysomela lapponica leben auf Weiden oder Birken und nutzen chemische Verbindungen aus der Pflanze zur Produktion ihrer Abwehrgifte. Weidenkäfer produzieren aus Salicin den giftigen Salicylaldehyd. Birkenkäfern aber fehlt der Aldehyd, denn Birken haben kein Salicin; dies hat im Laufe der Evolution bei den Birkenbewohnern zum Verlust der katalytischen Aktivität des Aldehyd bildenden Enzyms, der Salicyl-Alkohol-Oxidase, geführt. Die Assoziation von Blattkäferpopulationen mit einer bestimmten Wirtspflanze kann als der Beginn einer Artenbildung betrachtet werden.

Das Vorkommen von spezialisierten Naturstoffen in einzelnen Zellen oder in bestimmten Zelltypen von Pflanzen und anderen Organismen, die Zusammensetzung des dort vorliegenden Metabolitengemisches sowie zeitliche Konzentrationsänderungen sind wegen der winzigen Stoffmengen oft eine Herausforderung für die chemische Analytik. Magnetresonanz-spektroskopische Methoden können trotz moderater Empfindlichkeit eingesetzt werden, um die räumliche und zeitliche Stoffverteilung präzise zu ermitteln. Dies gelingt besonders dann, wenn sie in Kombination mit der Laser-Mikrodissektion angewandt werden.

Die Visualisierung biologischer Proben ermöglicht es, die Verteilung von Zellen und Organellen zu erkennen und so die Prinzipien des Lebens besser zu verstehen. Viele Methoden basieren auf Mikroskopie und Markierungstechniken; die abgebildeten Elemente erscheinen deshalb nur indirekt und ihre Spezifikation bleibt verborgen. Massenspektrometrisches Imaging (MSI) hingegen liefert direkte Information, basierend auf der Masse der Moleküle und auf aus CID-Spektren gewonnenen Strukturdaten. Die räumliche Kartierung sekundärer Metabolite konnte bereits Fragen aus der chemischen Ökologie beantworten.

Mit chemischen Tricks täuschen Aronstabgewächse und Orchideenblüten den Geruchssinn fliegender Insekten, um fremden Pollen zu empfangen und eigenen Pollen an benachbarte Blüten weiterzugeben. Dazu imitieren die Pflanzen beispielsweise die Duftstoffe gärender Hefe, um Fruchtfliegen anzulocken, oder weibliche Sexuallockstoffe, um Insektenmännchen als Bestäuber zu missbrauchen und am Ende sogar ohne Belohnung zu entlassen. Die Aufklärung der chemischen Botenstoffe und ihrer Wirkung erlaubt neue Einblicke in die Ökologie und Ko-Evolution von Pflanzen und Insekten.

Pflanzenfressende Insekten begegnen in ihrer Umgebung vielen unterschiedlichen Stressfaktoren. Ihr Verdauungssystem muss mit Giften fertig werden, die von Wirtspflanzen zur Verteidigung gegen Insektenbefall gebildet werden, und ihr Immunsystem muss sich gegen Angriffe von Erregern und Parasiten zur Wehr setzen. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie haben herausgefunden, dass diese beiden physiologischen Systeme – Verdauung und Immunität – auf unerwartete Weise zusammenarbeiten.

Fraßfeinde zu erkennen und auf sie zu reagieren, ruft eine Pflanzen-Immunität hervor, die ein Überleben in der Natur ermöglicht. Dieser Prozess besitzt die Fähigkeit, Signale des Schädlings zu erkennen, diese Information an gesunde Gewebe weiterzuleiten, um zukünftige Verwundung zu antizipieren. So wird eine Verteidigung eingeleitet, die die Vitalität des Angreifers reduziert und Mechanismen aktiviert, die der Pflanze eine Toleranz erlauben. Einer dieser Erkennungsmechanismen nutzt Moleküle, die vom Insekt stammen und die auf Pflanzenzellen wirken, während die Insektenlarve am Blatt frisst.

Pflanzen bilden spezielle Substanzen, um die Wechselwirkungen mit ihrer Umwelt zu koordinieren. Um die Diversität dieser chemischen Verbindungen zu vergrößern, werden „Leitstrukturen“ durch verschiedene Enzymfamilien modifiziert. Eine der wichtigsten Modifikationen ist die Bildung von Estern mittels Acyltransferasen. Durch Verwendung modernster Analysemethoden wurden Gene, Enzyme und Produkte der speziellen BAHD-Acyltransferase-Familie charakterisiert. Das sequenzierte Genom der Modellpflanze Arabidopsis thaliana stellt eine Reihe von BAHD-Acyltransferasen zur Verfügung.

Pflanzen bilden zur Abwehr von herbivoren Insekten eine Fülle von Naturstoffen. Viele Käferarten haben jedoch faszinierende Strategien entwickelt, mit diesen Substanzen umzugehen, und sich so Lebensräume geschaffen, die für andere Organismen nicht attraktiv sind. Oftmals werden die pflanzlichen Substanzen für die eigene Interaktion mit der Umwelt genutzt. Eine interessante Aufgabe in der chemischen Ökologie stellt die Aufklärung dieser Strategien dar, die nicht nur die Evolution von Käfer und Pflanze, sondern auch anderer, in einem Ökosystem lebender Arten beeinflussen können.

Der Einfluss eines Gens auf die Darwin'sche Fitness eines Organismus bestimmt darüber, ob es im Verlauf der natürlichen Selektion verloren geht, erhalten bleibt oder modifiziert wird. Allerdings verfügen Biologen bisher über nur sehr wenige gene expression systems, mit denen Genfunktionen in einem Gesamtorganismus untersucht werden können. In der Abteilung Molekulare Ökologie am MPI für chemische Ökologie werden molekulargenetisch orientierte Freilandbiologen ausgebildet: Sie erhalten die Expertise, transformierte Pflanzen, in denen die Expression von umweltbedingt regulierbaren Genen ausgeschaltet wurde, in ihrem natürlichen Lebensraum zu beobachten und auszuwerten. Diese Forschung, so hoffen die Wissenschaftler, soll es ermöglichen, den Einfluss definierter Gene auf die Darwin'sche Fitness des Organismus Pflanze besser zu verstehen.

Bei den meisten Tieren stehen Überleben und Fortpflanzung in engem Zusammenhang mit Duftinformation. Diese Abhängigkeit vom Geruch hat bei vielen Arten zur Entwicklung eines äußerst sensiblen und spezifischen Duftwahrnehmungssystems geführt – der Olfaktion. Eine vielen bekannte duftvermittelte Interaktion ist die starke Anziehung, die läufige Hündinnen auf Rüden ausüben. Der Wissenschaft stehen heute viele Informationen zur olfaktorischen Struktur und Funktion verschiedener Modellsysteme, z.B. Mäuse und Fruchtfliegen, zur Verfügung. Insekten haben sich als interessante Versuchsobjekte in olfaktorischen Studien erwiesen, weil die meisten extrem duftabhängig sind, aber auch weil ihr olfaktorisches System als Modell sowohl für die Geruchsfunktion als auch für dessen sensorische Struktur und Evolution verwendet werden kann.

Pflanzen bilden nach dem Angriff von Fraßfeinden eine große Zahl an Naturstoffen. Eine wichtige Aufgabe der chemischen Ökologie ist die Aufklärung der Funktionsweise dieser natürlichen Verbindungen bei der Verteidigung gegen Fraßfeinde. Besonders interessant sind dabei flüchtige Stoffe, die von der Pflanze als Duftstoffe abgegeben werden und natürliche Feinde des Angreifers (Nützlinge) anlocken. Um den jeweils richtigen Nützling anzulocken, können Pflanzen mehrere unterschiedliche Duftsignale aussenden – oberirdisch und unterirdisch.

Im koevolutionären Wechselspiel zwischen herbivoren Insekten und ihren Futterpflanzen spielen spezifische chemische Substanzen eine zentrale Rolle: Pflanzen und Insekten benutzen neuartige Gene, um diese Substanzen für Verteidigungs- oder aber auch Angriffszwecke zu kontrollieren. Viele dieser Gene entwickeln sich durch geringfügige Modifikationen bereits existierender Gene, aber überraschenderweise haben einige Gene einen unerwarteten Ursprung, der auch in den Genomen völlig anderer Arten zu finden ist. Dieser Bericht aus dem MPI für chemische Ökologie gibt einen Überblick über einige solcher Fälle, die eine opportunistische Natur der Evolution aufzeigen.

Pflanzen sind in der Lage, auf die unterschiedlichsten Reize zu reagieren. Bei Schädlingsbefall ist – neben der Produktion giftiger Substanzen – die Abgabe von Duftstoffen eine der Abwehr dienende Reaktion, denn Duftstoffe können die Feinde der Schädlinge anlocken. Ob sich noch unbefallene Nachbarpflanzen diese Duftstoffe zunutze machen, um sich auf eine zukünftige Schädlingsattacke vorzubereiten, war und ist Gegenstand zahlreicher Studien. Viele der bisherigen Arbeiten wurden jedoch unter experimentellen Bedingungen durchgeführt, die mögliche Effekte der Duftstoffe auf benachbarte Pflanzen verfälschen oder künstlich verstärken. Eine weitere Schwierigkeit stellt die Identifizierung der bioaktiven Bestandteile eines durch Schädlinge induzierten Duftstoffgemisches dar. Forscher am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena entwickelten ein neues experimentelles Design, das zwei Ansätze miteinander verbindet und die detaillierte Untersuchung der Bioaktivität einzelner Duftstoffe/-gruppen unter realistischen Bedingungen ermöglicht.

Insektenfraß löst die Synthese von Duftstoffen als indirekte pflanzliche Abwehr gegen herbivore Insekten aus. Mittels der künstlichen Raupe MecWorm war es am MPI für Chemische Ökologie, Abteilung Bioorganische Chemie, erstmals möglich, die Bedeutung rein mechanischer Verwundung und chemischer Signalstoffe aus dem Raupenspeichel bei der Induktion dieser Duftstoffe getrennt zu analysieren. Untersuchungen an der Limabohne zeigten, dass allein eine kontinuierliche, lang anhaltende Verletzung des Pflanzengewebes ausreicht, um Insektenbefall-ähnliche Duftstoffsynthesen und -emissionen auszulösen. Des Weiteren wurden Studien zur Genregulation unter Einfluss von Insektenfraß im Vergleich zu MecWorm durchgeführt, wobei als Testpflanze Arabidopsis thaliana diente. Gemessen wurden Änderungen der jeweiligen Transkriptionsmuster, sowohl lokal im verletzten bzw. befallenen Blatt als auch systemisch, d. h. in nicht attackierten Blättern derselben Pflanze. Erste Analysen von Raupen- bzw. MecWorm-befallenen Blättern offenbarten jeweils lokal eine signifikante Änderung der Transkriptmenge bei circa 5700 Genen, wobei davon etwa 4100 Gene identisch durch rein mechanische Verwundung reguliert werden. Die systemische Reaktion der Pflanze zeigte darüber hinaus, dass mehr als 3200 Gene durch die Chemie der Speichelkomponenten maßgeblich beeinflusst werden.

Forschergruppen am MPI für chemische Ökologie versuchen, die evolutionären Kräfte, welche die genetische Variation bedeutsamer Merkmale innerhalb und zwischen den Arten beeinflussen, aufzuspüren und zu verstehen. Anknüpfend an frühere Untersuchungen zur funktionalen Genomik der Modellpflanze Arabidopsis thaliana stehen nun wilde, mehrjährige Arabidopsis- und Boechera-Arten an natürlichen Standorten in Europa und Nordamerika im Mittelpunkt der Forschung.

Pflanzen produzieren eine große Bandbreite an chemischen Verbindungen, von denen man annimmt, dass sie zum Schutz gegen den Befall von Herbivoren (Pflanzenfressern) oder Pathogenen dienen. Allerdings war es bisher schwierig, die biochemischen Grundlagen dieser Verteidigungsfunktionen zu beschreiben. Einige Herbivore fressen bestimmte Pflanzen, die hoch dosierte Abwehrstoffe akkumulieren, ohne dass sie daran irgendwelchen Schaden nehmen. Zu den interessantesten Abwehrstoffen in Pflanzen gehören die Glucosinolate, eine Gruppe von schwefelhaltigen Metaboliten, die Vorläufer von Senfölen sind. Moderne molekulare und biochemische Methoden eröffneten der Forschung neue Wege, die Funktion der chemischen Abwehr bei Pflanzen unter definierten Bedingungen zu testen und zu erklären, wie diese Abwehrmechanismen von pflanzenfressenden Insekten außer Kraft gesetzt werden können. Der Mechanismus, mit dem bestimmte Insekten die so genannten pflanzlichen Senföl-"Bomben" entschärfen, ist in Ansätzen bereits entschlüsselt.