Insekten-Symbiosen sind fragiler als gedacht

Ein eingeführtes Bakterium verdrängt den Symbiose-Partner von Getreideplattkäfern

Auf den Punkt gebracht

• Wehrloser Symbiont: Ein Bakterium (Sodalis praecaptivus) kann innerhalb weniger Generationen die Millionen Jahre alte Symbiose des Getreideplattkäfers Oryzaephilus surinamensis mit seinem Symbionten Shikimatogenerans silvanidophilus zerstören.
• Fragile Natur alter Symbiosen: Die Infektion nach Injektion von Sodalis in Käferweibchen breitet sich im ganzen Körper aus. Sodalis wird über die Eier an die Nachkommen weitergegeben. Während der Käfer eine starke Immunreaktion zeigt, kann der alte Symbiont aufgrund seiner hochgradigen Spezialisierung nicht auf den Eindringling reagieren.
• Neue Wege zur Erforschung des Symbiontenwechsels: Die Studie zeigt, dass hochspezialisierte Symbiosen schnell zerstört werden können. Zudem weist sie auf.

Die wechselseitige Abhängigkeit zwischen Insekten und ihren bakteriellen Symbionten ist das Ergebnis einer Millionen Jahre währenden Koevolution. Viele Insekten leben in enger wechselseitiger Beziehung mit symbiotischen Bakterien, die ihnen essentielle Nährstoffe liefern. Diese Partnerschaft hat sich über Jahrmillionen entwickelt und bewährt.

Doch eine scheinbar stabile Symbiose ist nicht unveränderlich: Bei manchen Insektenarten beobachtet man gelegentlich den Verlust ursprünglicher Symbionten oder deren Ersatz durch neue Bakterien, obwohl die ursprünglichen Partner über lange Zeiträume hinweg eine enge Symbiose gebildet hatten. Wie und warum dieser Austausch abläuft, ist weitgehend unerforscht, was vor allem auf den Mangel an experimentell manipulierbaren Systemen zurückzuführen ist. „Das Fehlen einfach handhabbarer Symbiosen war die treibende Kraft unserer Studie“, erklärt Erstautorin Ronja Krüsemer, aus der Abteilung Insektensymbiosen am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie. „Unser Ziel war es, ein kontrollierbares Modellsystem zu etablieren, das es ermöglicht, den Prozess des Symbiontenaustauschs direkt zu beobachten und zu untersuchen.“

Sodalis praecaptivus als Eindringling

In Zusammenarbeit mit Colin Dale von der Universität Utah, der bereits eine künstliche Symbiose zwischen Getreiderüsselkäfern und dem Bakterium Sodalis praecaptivus hergestellt hatte, entschied sich das Team um Martin Kaltenpoth am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie für einen gezielten Ansatz: Die Forschenden injizierten Sodalis praecaptivus in weibliche Getreideplattkäfer (Oryzaephilus surinamensis), um den Einfluss des Bakteriums auf die natürliche Symbiose zu testen.

Das neue Bakterium zeigte sich als hoch anpassungsfähig: Es siedelte sich in fast allen Geweben und Organen der Käfer an und wurde erstaunlicherweise erfolgreich über die Eier von der Mutter auf die Nachkommen übertragen. Die Forschenden konnten sogar mehrere Generationen aufziehen, was zu einer überraschenden und entscheidenden Erkenntnis führte: In der dritten Nachkommengeneration war der ursprüngliche Symbiont Shikimatogenerans silvanidophilus vollständig verschwunden.

Die Infektion mit Sodalis hatte jedoch nicht nur Auswirkungen auf den ursprünglichen Symbionten. Die Käfer wiesen eine hellere Färbung ihrer Außenhaut auf, ihre Lebenserwartung war verringert und ihre Fortpflanzungsrate war reduziert. Gleichzeitig war das Immunsystem der Käfer aktiviert, was anhand der erhöhten Expression von Immungenen nachweisbar war. Sodalis drang in die Bakteriome ein, die spezialisierten Organe, die den ursprünglichen Symbionten beherbergen, und veränderte die dort vorherrschenden Bedingungen zu dessen Nachteil.

Dabei spielt die Erosion des Genoms eine entscheidende Rolle: Shikimatogenerans, das seit Millionen von Jahren mit seinem Wirt koexistiert und ausschließlich in Käfern zu finden ist, hat durch den fehlenden Selektionsdruck viele Gene verloren. Dadurch ist der Symbiont anfälliger für Veränderungen im Wirtsumfeld. Nach der Injektion von Sodalis war Shikimatogenerans nicht in der Lage, sich an die neuen Bedingungen anzupassen, wies unregelmäßige Zellformen auf und wurde schließlich verdrängt. „Wir hatten nicht erwartet, dass der Verlust des ursprünglichen Symbionten so schnell erfolgt“, sagt Ronja Krüsemer.

Ein wegweisendes Modellsystem für die Zukunft der Symbioseforschung

Das System aus Oryzaephilus surinamensis und Sodalis praecaptivus erweist sich nun als vielversprechendes Modell, um die Mechanismen hinter dem Austausch von Symbionten, der Etablierung von Symbiosen und der Evolution von Mutualismen systematisch zu untersuchen. Zukünftige Studien sollen den Einfluss genetischer Mutationen auf die Fitness von Wirt und Symbiont testen und groß angelegte Fitnessexperimente mit infizierten Käfern und deren Nachkommen umfassen.

„Mit unserem System können wir die Dynamiken hinter einem Symbiontenaustausch direkt beobachten“, fasst Studienleiter Martin Kaltenpoth zusammen. „Unsere Studie zeigt, dass neue Bakterien die ursprünglichen Symbionten verdrängen können – und dass dieser Prozess schneller ablaufen kann, als bisher angenommen.  Dabei kann der Verlust des ursprünglichen Symbionten im Rahmen eines beginnenden Symbiontenaustauschs erfolgen.“