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 Klimawandel – die Tanne sticht Fichte und Buche aus
10.08.2017 | Eidgenössische Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL

nachricht Feuerbrand bekämpfen und Salmonellen nachweisen
14.06.2017 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

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: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

International führende Informatiker in Paderborn

21.08.2017 | Veranstaltungen

Wissenschaftliche Grundlagen für eine erfolgreiche Klimapolitik

21.08.2017 | Veranstaltungen

DGI-Forum in Wittenberg: Fake News und Stimmungsmache im Netz

21.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Im Neptun regnet es Diamanten: Forscherteam enthüllt Innenleben kosmischer Eisgiganten

21.08.2017 | Physik Astronomie

Ein Holodeck für Fliegen, Fische und Mäuse

21.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Institut für Lufttransportsysteme der TUHH nimmt neuen Cockpitsimulator in Betrieb

21.08.2017 | Verkehr Logistik