Arbeitsgruppe Prof. Dr. Susanne Dobler
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Phytophage Insekten stellen die wohl größte Radiation in terrestrischen Systemen dar. Meine Arbeitsgruppe untersucht vor allem, wie Artaufspaltungen phytophager Insekten mit Wirtspflanzenwechseln und Anpassungen an die vielfältigen pflanzlichen Abwehrstoffe einhergehen. Um zu verstehen, welche Auswirkungen toxische Stoffe der Wirtspflanzen auf die Insekten haben, untersuchen wir, wie diese Stoffe toleriert bzw. entgiftet werden können, welche Auswirkungen dies für die Insekten hat und woher neu entstandene Entgiftungssysteme kommen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Untersuchung der molekularen Grundlagen der Anpassungen, die wir über Transkriptomanalysen, Expression einzelner Gene in Zellkultur mit anschließenden Funktionstests sowie genetische Knock-down Experimenten analysieren.
I. Cardenolide - konvergente Evolution effizienter Resistenzmechanismen
Cardenolide (auch Herzglykoside genannt) blockieren die für tierische Zellen essentielle Na,K-ATPase. Dieser transmembrane Ionentransporter besitzt quer durch das Tierreich eine konservierte Bindungsstelle für Cardenolide, die wegen der herztherapeutischen Bedeutung der Stoffe sehr gut charakterisiert wurde. Die Bindung von Cardenoliden führt zur Blockade der Ionenpumpe und damit zum Erliegen von Impulsweiterleitung im Nerv und schlimmstenfalls zum Tod. Daneben werden verschiedene zellbiologische Signalkaskaden durch die Na,K-ATPase angesteuert, wobei zumindest bei Säugetieren endogene Herzglykoside als Signalgeber dienen. Verschiedene Pflanzen und auch einige Tiere nutzen die Schwachstelle tierischer Organismen aus und produzieren Cardenolide, um ihre Freßfeinde abzuwehren. Trotzdem gibt es eine Vielzahl von Insekten, die auf Cardenolid-haltigen Pflanzen fressen ohne davon Schaden zu nehmen.
Um zu verstehen, wie die Insekten der toxischen Wirkung entgehen, testen wir die Wirkung beobachteter Veränderungen in der Na,K-ATPase in vitro. Verblüffenderweise gibt es hochgradig konvergente Anpassungen, bis hinunter zum Niveau des einzelnen Aminosäureaustausches.
Daneben spielen gerichtete Transportvorgänge eine große Rolle, die die Gifte exkretieren, in bestimmte Speicherräume schaffen oder von sensiblen Geweben fernhalten. Kandidatengene für diese Transporter werden bioinformatisch charakterisiert, in vitro exprimiert und auf ihre Funktion getestet.
II. Radiation einer Flohkäfergattung - vielfache Wirtswechsel durch einmalige Toleranz
Flohkäfer der Gattung Longitarsus bieten ein Beispiel für eine rasche und sehr erfolgreiche Radiation phytophager Insekten. In Mitteleuropa sind über 70 Arten dieser Käfer auf verschiedensten krautigen Pflanzen zu finden, weltweit sind es über 500. Auffällig häufig treten in den Wirtspflanzen zwei Klassen von Pflanzensekundärstoffen auf, Pyrrolizidinalkaloide und Iridoidglykoside. Die Käfer tolerieren diese giftigen bzw. insektiziden Stoffe und nutzen sie oftmals auch als eigene Wehrsubstanzen. Auch hier untersuchen wir die zugrunde liegenden physiologischen Mechanismen und ihre molekularen Grundlagen, die es den Käfern ermöglichen, die Stoffe zu entgiften und gerichtet zu transportieren.
III. Reproduktions-manipulierende Bakterien und Hybridisierung
Reproduktions-manipulierende Bakterien wurden vor einiger Zeit als Verursacher verschobener Geschlechterverhältnisse bei Arthropoden erkannt. Daneben wird diskutiert, dass sie eine kausale Ursache bei Artaufspaltungen spielen können, indem sie die erfolgreiche Reproduktion unterschiedlich infizierter Paarungspartner verhindern.
Bei der Flohkäfergattung Altica findet sich in vielen Arten ein stark zu den Weibchen hin verschobenes Geschlechterverhältnis, gleichzeitig sind die Käfer zumeist mit einem von drei verschiedenen Wolbachia-Stämmen infiziert. In der häufigsten Art in Mitteleuropa, Altica lythri, kommen nach unseren molekular-systematischen Analysen drei verschiedene mitochondriale Haplotypen vor, die weiter voneinander getrennt sind als viele Arten innerhalb der Gattung. Käfer, die einen bestimmten Haplotyp tragen, sind (wenn überhaupt) immer nur mit einem bestimmten von drei Wolbachia Stämmen infiziert. Unsere genetischen Analysen zeigen, dass diese Situation am wahrscheinlichsten durch Hybridisierung zwischen den Arten und Introgression von zwei der Infektionstypen gekoppelt mit den mitochodriellen Haplotypen in A. lythri zustande kam. Dies ist gleichzeitig auch die Ursache für das verschobene Geschlechterverhältnis: während zwei Haplotypen/ Infektionstypen in etwa ausgeglichene Geschlechterverhältnisse haben, gibt es bei dem dritten Haplotyp / Infektionstyp immer nur Weibchen. Diese müssen mit einem der anderen Haplotypen kopulieren, um fertile Nachkommen zu erzeugen - d.h. dieser Haplotyp kann niemals alleine existieren.
Aktuell erforschen wir durch genomische Assoziationsstudien, wodurch die Reproduktionsanomalie dieser Tiere bedingt wird. Das Vorkommen der Wolbachien alleine kann nicht ursächlich sein, da auch nicht infizierte Tiere des 'weiblichen' Haplotyps ausschließlich Töchter erzeugen. Möglicherweise ist hier ein Konflikt zwischen mitochondriellem und nukleären Genom gegeben, das entsprechend 'Haldane's Rule' zum Absterben des heterogametischen Geschlechts führt.
