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Prof. Dr. Wilhelm Boland

Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Jena

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Originalpublikation

Arias-Cordero E, Ping L, Reichwald K, Delb H, Platzer M, Boland, W. (2012)
PLoS ONE 7(12): e51557. DOI:10.1371/journal.pone.0051557

Mikrobiologie

Nicht ohne meine Mikroben

Waldmaikäfer profitieren auch nach Metamorphose von denselben bakteriellen Symbionten, die sie schon als Larve zuvor beherbergt haben

19. Dezember 2012

In Mitteleuropa sind Waldmaikäfer nach dem Feldmaikäfer die zweithäufigste Art dieser Gattung und können besonders in Waldgebieten und auf Heideflächen erhebliche Schäden an Laub- und Nadelbäumen anrichten. In ihrem Darm beherbergen sie Bakterien, um ihre holzige Nahrung, zum Beispiel Lignozellulose und Xylane, verdauen zu können. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie haben nun durch umfassende RNA-Analysen die Mikrobiota der von Wurzeln lebenden Larven sowie der aus den Larven hervorgegangenen, blattfressenden Käfer bestimmt. Erstaunlicherweise verbleiben im Darm der Käfer die meisten derjenigen Mikrobenarten, die schon in der Larve vorhanden waren − trotz Verwandlung (Metamorphose) von der Larve zum Käfer. Darunter befinden sich Clostridien sowie weitere, noch unbekannte Bakterienarten. Außerdem zeigte sich, dass die im Darm lebenden Bakterienarten nur zu einem sehr geringen Teil aus der Wurzel- oder Blattnahrung stammen. Es handelt sich demnach bei den Mikrobiota wahrscheinlich um spezifische bakterielle Symbionten, mit denen der Waldmaikäfer schon seit langer Zeit assoziiert ist.
Nach dem Winter, spätestens im Mai und bis in den Juni hinein, können sie wieder in Massen auftreten und erste Blatttriebe von Eichen, Ahorn und Buchen befallen: Waldmaikäfer (Melolontha hippocastani). Die Weibchen legen einmal im Jahr bis zu 30 Eier, woraus sich die Larven (Engerlinge) während einer drei- bis fünfjährigen Entwicklungszeit unterirdisch von Baumwurzeln ernähren. Hier eine Waldmaikäferlarve, die im Boden eine Karotte anfrisst. Bild vergrößern
Nach dem Winter, spätestens im Mai und bis in den Juni hinein, können sie wieder in Massen auftreten und erste Blatttriebe von Eichen, Ahorn und Buchen befallen: Waldmaikäfer (Melolontha hippocastani). Die Weibchen legen einmal im Jahr bis zu 30 Eier, woraus sich die Larven (Engerlinge) während einer drei- bis fünfjährigen Entwicklungszeit unterirdisch von Baumwurzeln ernähren. Hier eine Waldmaikäferlarve, die im Boden eine Karotte anfrisst. [weniger]

Die Metamorphose bestimmter Insektenarten ist bis heute ein faszinierender und immer noch nicht ganz verstandener Vorgang. Aus einer Raupe oder Larve, die sich je nach Art unter- oder oberirdisch von Wurzeln oder Blättern ernährt, wird nach einem Verpuppungs- und Ruhestadium ein Falter oder ein Käfer. Die walzenförmigen Raupenkörper sind im Vergleich zu den meist bunten und filigranen Faltern eher unspektakulär. Hinzukommt, dass Raupen- oder Käferlarvenfraß unsere land- oder forstwirtschaftlichen Erträge jedes Jahr aufs Neue bedrohen. So ist auch der Waldmaikäfer (Melolontha hippocastani) ein wichtiger Schädling unserer Bäume.

Im Puppenstadium wird die Nahrungszufuhr gänzlich eingestellt; es beginnt die fundamentale Verwandlung, die Metamorphose – ein radikaler innerer Umbau, bei dem kein Larvenorgan in seiner ursprünglichen Form erhalten bleibt. Gewebe und Organe werden abgebaut und an deren Stelle die Organe des Käfers wieder aufgebaut. Was aber passiert nach der Metamorphose mit den überlebenswichtigen Mikroben, die die Larven in ihrem Darm haben, um Pflanzennahrung zu verdauen? Sind im Darm des jungen Käfers Bakterien vorhanden und wenn ja, welche?

Dieser Frage hat sich die aus Costa Rica stammende Doktorandin Erika Arias-Cordero gewidmet. Dank moderner empfindlicher Nachweismethoden konnte sie sich einen Gesamtüberblick über die im Darm von Larven und adulten Käfern vorhandenen Bakterienarten verschaffen. In sogenannten „Kultur-unabhängigen“ Untersuchungen wurden über 300 individuelle RNA-Sequenzabschnitte ermittelt, die verschiedenen Taxa bekannter Mikrobenklassen zugeordnet werden konnten. Bestimmt wurden Sequenzen ribosomaler RNA (16S rRNA) bakterieller Natur, die sich spezifisch von der RNA der Insekten (18S rRNA) unterscheiden lässt. „Mit dieser Methode konnten wir ziemlich sicher sein, alle im Darm vorhandenen Mikrobenklassen zu ermitteln. Ein typischer mikrobiologischer Ansatz, bei dem zunächst hätte versucht werden müssen, Bakterien aus dem Darm zu kultivieren, hätte dies nicht garantiert, weil wir die Nährmedien vor allem der unentdeckten Arten noch gar nicht kennen“, so die Wissenschaftlerin.

Ein adulter Waldmaikäfer (Melolontha hippocastani). Bild vergrößern
Ein adulter Waldmaikäfer (Melolontha hippocastani).

Insgesamt neun verschiedene Klassen an Bakterien wurden im Darm des Waldmaikäfers gefunden: b-Proteobakterien, d-Proteobakterien, g-Proteobakterien, Actinobakterien, Bacilli, Clostridien, Erysipelotrichi, Negativicutes und Sphingobakterien. Einige Arten sind dazu in der Lage, Lignocellulose und Xylane, also typische Holzbestandteile, zu verdauen. Interessanterweise tauchten etliche der im Larvendarm bestimmten Bakterienklassen im Darm adulter Käfer, also nach der Metamorphose, wieder auf − obwohl der Larvendarm in der Ruhe- und Puppenphase vollständig leer ist. Außerdem stimmt das Darm-Mikrobiom der Larve nur minimal mit dem Mikrobiom von Erde und Wurzelmaterial überein; mit anderen Worten: Die meisten der in der Larve und im Käfer vorhandenen Mikroben stammen nicht aus der aufgenommenen Nahrung. „Dies bedeutet, dass der Waldmaikäfer per se, also wahrscheinlich schon beim Schlüpfen der Larve aus dem Ei, z.B. über anhaftende Sekrete des Muttertiers, sozusagen eine Grundausstattung von symbiontischen Bakterien mit sich bringt, mit denen diese Insektenart im Laufe der Jahrtausende ko-evolviert“, so Wilhelm Boland, Direktor am Institut.

Dieses Resultat bestätigt erneut, dass vermutlich alle höheren Organismen wie Pflanzen, Insekten und Tiere und auch wir Menschen grundsätzlich mit symbiotischen Mikroorganismen ausgestattet sind, ohne die wir nicht leben und überleben können, und die wir als feste Bestandteile unseres Körpers einordnen müssen.

Die Larven- und Käfer- sowie Boden-, Wurzel- und Blattproben wurden in Wäldern bei Mannheim und Iffezheim gesammelt. Am Forschungsprojekt beteiligt waren die Forstliche Versuchs- und Forschungsanstalt Baden-Württemberg, Freiburg, und das Fritz-Lipmann-Institut in Jena.

JWK/HR

 
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