Forschungsbericht 2019 - Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

Ein besonderer Geruchsrezeptor verhilft Mottenweibchen zu einer erfolgreichen Aufzucht ihrer Nachkommen

Autoren
Knaden, Markus; Zhang, Jin; Hansson, Bill S.
Abteilungen
Abteilung für Evolutionäre Neuroethologie
Zusammenfassung
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.

Nahrungskonkurrenz auf der Futterpflanze

Die Raupen des Tabakschwärmers (Manduca sexta) sind äußerst gefräßig. Im Laufe ihrer Entwicklung verspeist eine einzelne Raupe oft alle Blätter einer Wirtspflanze, zum Beispiel wilder Tabak (Nicotiana attenuata), sucht dann eine weitere Pflanze auf, um auch diese komplett zu verspeisen und wiederholt diesen Prozess mehrere Male, bis sie ausgewachsen ist und sich im Boden verpuppt.

Legt ein Falterweibchen ein Ei auf eine Pflanze, auf der bereits eine Raupe heranwächst, kann es passieren, dass die Pflanze vollständig aufgefressen ist, bevor die aus dem Ei schlüpfende Raupe groß genug ist, um den weiten Weg zu einer anderen Pflanze zu überleben. Daher sollten Falterweibchen ihre Eiablageplätze sehr umsichtig wählen, um Konkurrenz für ihren Nachwuchs zu vermeiden.

Vermeidung von Konkurrenz bei der Eiablage

Abb. 1: Auf der Suche nach Eiablageplätzen erkennen Falterweibchen der Art Manduca sexta bereits an einer Wirtspflanze fressende Raupen anhand des Kotgeruchs. So können die Weibchen diese Pflanzen meiden und ihre Eier bevorzugt auf noch unbefallenen Pflanzen ablegen, auf denen keine Konkurrenz mit anderen Raupen droht.

Bislang wurde untersucht, ob weibliche Falter anhand von Veränderungen im Duftmuster der Pflanzen erkennen, dass diese von Raupen befallen sind und daher ihre Eier bevorzugt auf Pflanzen ablegen, an denen noch keine Raupen fressen [1-3]. Unklar war jedoch, ob die Falter auch Duftinformation berücksichtigen, die von den Larven, also den möglichen Konkurrenten ihrer Nachkommen, direkt abgegeben werden.

Mithilfe von Experimenten, in denen eierlegenden Tabakschwärmerweibchen verschiedene Pflanzen in einem Windkanal zu Verfügung gestellt wurden, konnten wir jetzt zeigen, dass die Falter bei der Eiablage tatsächlich nicht nur auf Pflanzendüfte achten. Bei der Entscheidung für oder gegen eine Eiablage werden sie zusätzlich durch den Geruch von Raupenkot beeinflusst (Abb. 1). Wenn bereits eine Raupe auf einer Pflanze heranwächst, sammeln sich große Mengen an Kot an, dessen Geruch, der insbesondere aus aliphatischen Karbonsäuren besteht, die Falterweibchen von der Eiablage abhält [4].

Ein bestimmter Duftrezeptor, IR8a, steuert das Verhalten der Mottenweibchen bei der Eiablage 

Abb. 2: Olfaktorische Neuronen in der Antenne von Falterweibchen, die den Korezeptor IR8a exprimieren, detektieren die aus dem Raupenkot abgegebenen Geruchsstoffe 3-Methylbuttersäure und Hexansäure und steuern damit das Verhalten der Insekten derart, dass diese ihre Eier nicht auf einer bereits von Raupen befallenen Pflanze ablegen. Im Kontrollversuch führte das Ausschalten (knockout) des Korezeptors mittels der „Genschere“ CRISPR/Cas9 dazu, dass die eierlegenden Weibchen den Kotgeruch nicht detektiert und ihre Eier auch auf befallenen Pflanzen abgelegt haben.

Die Verwendung der „Genschere“ CRISPR/Cas9, mit der man einzelne Gene in einem Organismus gezielt ausschalten kann, ermöglichte uns, die molekulare Basis dieses Verhaltens genauer zu untersuchen. Als wir verschiedene Rezeptorproteine in den Antennen, also den Riechorganen der Falter, ausschalteten, zeigte sich, dass der ionotrope Rezeptor 8a (IR8a) die Vermeidungsreaktion auf Raupenkot steuert (Abb. 2). Falter, denen die Rezeptorproteine für das Aufspüren dieser Signale fehlten, waren nicht in der Lage, den Kot konkurrierender Artgenossen zu detektieren, und legten daher ihre Eier auf Pflanzen ab, auf denen in der Natur ihre Nachkommen eine verringerte Überlebenschance gehabt hätten [5].

Evolutionsbiologischer Kontext und Ausblick

Pflanzen-Insekten-Wechselwirkungen sind vielfältig und hochkomplex. Sie haben sich im Laufe der Evolution entwickelt und können immer wieder anpasst werden, wenn sich ein Parameter verändert. Es ist keine neue Erkenntnis, dass Tabakschwärmer deutlich weniger Eier auf Pflanzen legen, die bereits von Raupen attackiert wurden, und dass der Geruch von Raupenkot sogar Räuber, also die Feinde der Raupen, anlocken kann. Raupenkot sorgt aber auf der anderen Seite auch dafür, dass Artgenossen ferngehalten werden, mit denen die Larven sonst um ihr Futter konkurrieren müssten. Somit helfen die chemischen Signale aus dem Kot einerseits den schon geschlüpften und fressenden Raupen selbst, aber auch den umherfliegenden Falterweibchen, die die mit Kot besetzten, befallenen Pflanzen vermeiden, um eine bessere Futterpflanze für ihren Nachwuchs zu finden.

Die neu entwickelten genetischen Werkzeuge wie beispielsweise CRISPR/Cas9 bieten vielversprechende Möglichkeiten, das geruchsgesteuerte Verhalten von Tabakschwärmern und anderen Schädlingen noch detaillierter zu untersuchen. Wir wollen damit insbesondere Antworten auf folgende Fragen finden: Welche Faktoren, wie zum Beispiel Blütendüfte, Feuchtigkeit und CO2, führen die Insekten zu ihren Wirtspflanzen? Welche Rezeptorproteine steuern die Reaktionen auf Düfte? Welche Gene sind an diesem Verhalten beteiligt? Grundlegende Erkenntnisse, die aus diesen Studien gewonnen werden, können dazu beitragen, besser auf die neuen Herausforderungen in der Landwirtschaft, die sich auch aus den drohenden Klimaveränderungen ergeben könnten, zu reagieren.

Literaturhinweise

1.
Späthe, A.; Reinecke, A.; Olsson, S.; Kesevan, S.; Knaden, M.; Hansson, B. S.
Plant species- and status-specific odorant blends guide oviposition choice in the moth Manduca sexta
Chemical Senses 38, 147-159 (2013)           
2.
Späthe, A.; Reinecke, A.; Haverkamp, A.; Hansson, B. S.; Knaden, M.
Host plant odors represent immiscible information entities - blend composition and concentration matter in hawkmoths
PLoS One, 8(10): e77135 (2013)
3.
Allmann, S.; Späthe, A.; Bisch-Knaden, S.; Kallenbach, M.; Reinecke, A.; Sachse, S.; Baldwin, I. T.; Hansson, B. S.
Feeding-induced rearrangement of green leaf volatiles reduces moth oviposition
eLife, 2013 (2): e00421
4.
Zhang, J.; Bisch-Knaden, S.; Fandino, R. A.; Yan, S.; Obiero, G. F.; Grosse-Wilde, E.; Hansson, B. S.; Knaden, M.
The olfactory co-receptor IR8a governs larval feces-mediated competition avoidance in a hawkmoth
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  21828-21833 (2019)
5.
Fandino, R. A.; Haverkamp, A.; Bisch-Knaden, S.; Zhang, J.; Bucks, S.; Nguyen Thi, T. A.; Werckenthin, A.; Rybak, J.; Stengl, M.; Knaden, M.; Hansson, B. S.; Grosse-Wilde, E.
Mutagenesis of odorant coreceptor Orco fully disrupts foraging but not oviposition behaviors in the hawkmoth Manduca sexta
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (2019)

Weitere interessante Beiträge

Zur Redakteursansicht