Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wettrüsten im Kohlfeld: Wie Schmetterlinge den Kohlpflanzen die Schärfe nahmen

25.06.2015

Ein internationales Team von Wissenschaftlern konnte mit Hilfe genomischer Werkzeuge die Mechanismen eines uralten und immer noch andauernden Wettrüstens zwischen Kohlpflanzen und Schmetterlingslarven, die sich an diesen Pflanzen gütlich tun, entschlüsseln.

Die Studie erscheint 50 Jahre nach der berühmten Arbeit von Paul Ehrlich und Peter Raven, die darin das Konzept der Koevolution vorstellten und dabei dieselben Schmetterlinge und Pflanzen als primäre Beispiele verwendeten. Die aktuelle Forschungsarbeit liefert nicht nur verblüffende Belege für die Koevolution, sie gewährt auch wichtige neue Einblicke in die genetischen Grundlagen beider Gruppen von Lebewesen. (PNAS, Juni 2015).


Einige Raupen, wie die des Großen Kohlweißlings (Pieris brassicae), verursachen drastische Schäden an Kohlpflanzen, da sie sich im Laufe der Evolution perfekt an deren Abwehrstoffe angepasst haben.

Hanna Heidel-Fischer / Max-Planck-Institut für chemische Ökologie


Larve der Weißlingsart Delias nigrina, die sich von Mistelblättern ernährt. Diese Art hat die Fähigkeit verloren, die Senfölbombe von Kohlpflanzen zu entschärfen.

Heiko Vogel / Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

Die wichtigste Abwehr von Kohlpflanzen und ihren Verwandten aus den Familien der Kreuzblütlerartigen basiert auf einem Zwei-Komponenten-System, das aus nichtgiften Vorstufen, den Senfölglykosiden, sowie pflanzlichen Enzymen, den Myrosinasen, besteht. Beide sind räumlich voneinander getrennt und befinden sich in unterschiedlichen Bereichen des gesunden Pflanzengewebes.

Wird das Gewebe allerdings verwundet, wenn eine Raupe daran frisst, werden beide Komponenten gemischt und die sogenannte „Senfölbombe“ wird aktiviert. In dieser chemischen Reaktion entsteht eine Reihe von giftigen Abbauprodukten. Genau diese Abbauprodukte sind es, die in bestimmten Konzentrationen für Menschen kulinarisch interessant werden und zum Beispiel als scharfer Senf oder Meerrettich auf den Tisch kommen.

Auf nicht-angepasste Pflanzenfresser aber wirken diese Substanzen abschreckend oder sogar giftig. Allerdings haben sich einige Insekten auf den Verzehr von Kohlpflanzen spezialisiert und verschiedene Strategien entwickelt, die pflanzliche Verteidigung zu umgehen. Zu den Spezialisten gehören die Weißlinge, die sich bereits kurz nach der Entstehung von Pflanzen der Ordnung Kreuzblütlerartige auf die neuartige chemische Abwehr spezialisierten.

Als die Wissenschaftler die Stammesgeschichten dieser Pflanzen mit der der Schmetterlinge verglichen, fiel ihnen auf, dass auf die Fortschritte in der chemische Verteidigung von Pflanzen eine Anpassung der Schmetterlinge erfolgte, die es ihnen ermöglichten, ohne negative Folgen weiter an den Pflanzen zu fressen. Die Dynamik des Aufrüstens seitens der Pflanzen und der Anpassung der Insekten an neue Abwehrmechanismen wiederholte sich immer wieder in einem Zeitraum von fast 80 Millionen Jahren.

Das Resultat des Wettrüstens ist die Herausbildung einer größeren Vielzahl von neuen Arten im Vergleich zu anderen Pflanzenarten ohne Senfölglykoside und deren Schädlingen. Infolge der erfolgreichen Anpassung an Senfölglykoside konnte auch die Schmetterlingsfamilie der Weißlinge zahlreiche neue Arten hervorbringen. Weißlinge sind heute weit verbreitet, einige Arten sind zahlreich auf der ganzen Welt anzutreffen, wie der Kleine und der Große Kohlweißling.

Während die meisten Weißlinge an Kohlpflanzen fressen, gibt es verwandte Arten, welche die Vorliebe ihrer Vorfahren für Hülsenfrüchte beibehalten haben und Senfölglykoside nicht entgiften können. Auch sekundäre Wirtswechsel von Kohl auf andere Pflanzen haben stattgefunden; so gibt es einige Arten, die andere Wirtspflanzen erschlossen haben, wie zum Beispiel Misteln.

Die Sequenzierung der Genome sowohl der Pflanzen als auch der Schmetterlinge führte die Wissenschaftler schließlich zur genetischen Grundlage dieses Wettrüstenss: Die Weiterentwicklung wurde auf beiden Seiten durch neue Kopien bereits vorhandener Gene vorangetrieben und nicht etwa durch einfache Mutationen im Erbgut.

Darüber hinaus fanden die Forscher heraus, dass Schmetterlingsarten, die sich erst an Senfölglykoside anpassten, später aber auf andere Wirtspflanzen, wie etwa Misteln, wechselten, ein anderes Muster zeigten. Die Gene, die für die Überwindung der Senfölbombe zuständig waren, sind aus ihrem Genom vollständig verschwunden. Dies zeigt, dass selbst eine Anpassung, die sich im Laufe eines evolutionären Zeitraums von 80 Millionen Jahren herausgebildet hat, entsorgt werden kann, wenn sie nicht länger gebraucht wird.

Die Forschungsarbeit ist das Resultat der Zusammenarbeit eines internationalen Teams von Pflanzenwissenschaftlern der Universität von Missouri, USA, von Schmetterlingsbiologen der Universität Stockholm, Schweden, und des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena.

Originalveröffentlichung:
Edger, P.P., Heidel-Fischer, H. M., Bekaert, M., Rota, J., Glöckner, G., Platts, A. E., Heckel, D. G., Der, J. P., Wafula, E. K., Tang, M., Hofberger, J. A., Smithson, A., Hall, J. C., Blanchette, M., Bureau, T. E., Wright, S. I., dePamphilis, C. W., Schranz, M. E., Barker, M. S., Conant, G. C., Wahlberg, N., Vogel, H., Pires, J. C., Wheat, C. W. (2015). The butterfly plant arms-race escalated by gene and genome duplications. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. DOI 10.1073/pnas.1503926112
http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1503926112

Weitere Informationen:
Dr. Hanna Heidel-Fischer, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Straße 8, 07745 Jena, Germany, Tel. +49 3641 57-1516, E-Mail hfischer@ice.mpg.de
Dr. Heiko Vogel, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Straße 8, 07745 Jena, Germany, Tel. +49 3641 57-1512, E-Mail hvogel@ice.mpg.de


Kontakt und Bildanfragen:
Angela Overmeyer M.A., Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Str. 8, 07743 Jena, +49 3641 57-2110, E-Mail overmeyer@ice.mpg.de

Download von hochaufgelösten Fotos über
http://www.ice.mpg.de/ext/downloads2015.html

Weitere Informationen:

http://www.ice.mpg.de/ext/entomology.html?&L=1 (Abteilung Entomologie des MPI für chemische Ökologie

Angela Overmeyer | Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Agrar- Forstwissenschaften:

nachricht Die smarte klassische Landhausvilla
28.11.2016 | Bau-Fritz GmbH & Co. KG, seit 1896

nachricht Kleinbauern setzen verstärkt auf Monokulturen
10.11.2016 | Georg-August-Universität Göttingen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Agrar- Forstwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie