Feuerwanzen brauchen Symbiose-Bakterien zum Überleben

Die afrikanische Baumwollwanze (Dysdercus fasciatus) kultiviert bakterielle Symbionten in ihrem Mitteldarm, die für ihr Wachstum und ihre Fortpflanzung notwendig sind.<br>Foto: MPI für chemische Ökologie/ Kaltenpoth<br>

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena haben jetzt herausgefunden, dass die Insekten bakterielle Symbionten benötigen, um mit Baumwollsamen als ihrer einzigen Nahrungsquelle zu überleben. Das Entfernen dieser Symbionten oder ihr Austausch zwischen den Wanzenarten führte zu einer hohen Sterblichkeit und geringem Paarungserfolg. Symbiontische Bakterien bilden somit einen Schlüsselfaktor für den ökologischen Erfolg von Feuerwanzen und den Schädlingsstatus der Baumwollwanzen.

Größere Ansammlungen von rot-schwarz gefleckten Feuerwanzen sind in Mitteleuropa häufig unter Lindenbäumen zu finden. Die Insekten können dort eine erstaunliche Populationsdichte erreichen. Während die in Europa heimische Gemeine Feuerwanze keine schädlichen Auswirkungen auf den Menschen hat, sind ihre Verwandten in Afrika, Asien und Amerika, die Baumwollwanzen, ernstzunehmende Landwirtschaftsschädlinge, die Baumwollpflanzen und andere Malvengewächse befallen. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena haben jetzt herausgefunden, dass diese Insekten bakterielle Symbionten benötigen, um mit Baumwollsamen als ihrer einzigen Nahrungsquelle zu überleben.

Mit Hilfe der Hochdurchsatz-Sequenzierung fanden sie heraus, dass Feuer- und Baumwollwanzen eine charakteristische bakterielle Gemeinschaft in einer bestimmten Region ihres Mitteldarmes beherbergen. Das Entfernen dieser Symbionten oder ihr Austausch zwischen den Wanzenarten führte zu einer hohen Sterblichkeit und geringem Paarungserfolg. Dies unterstreicht die große Bedeutung der bakteriellen Helfer für Wachstum und Fortpflanzung der Wanzen. Symbiontische Bakterien bilden daher einen Schlüsselfaktor sowohl für den ökologischen Erfolg von Gemeinen Feuerwanzen, als auch für den Schädlingsstatus der Baumwollwanzen. (Molecular Ecology, Dezember 2012; Environmental Microbiology, in press)

Wanzen gehören zur Insekten-Ordnung der Hemiptera (Schnabelkerfe), zu der mehr als 80.000 beschriebene Arten gezählt werden. Viele dieser Arten sind wichtige Landwirtschaftsschädlinge, die für erhebliche Ernteverluste verantwortlich sind. Hierzu zählen auch die Baumwollwanzen aus der Familie der Feuerwanzen: Sie fressen an Samenkapseln und hinterlassen dauerhafte Verfärbungen an den Baumwollfasern, weshalb der Schädling auch Baumwollfärber genannt wird. Die bisherige Forschung an Pflanzensaft saugenden Insekten hat gezeigt, dass diese mikrobielle Symbionten für die Nahrungsverwertung benötigen. Dagegen blieb unklar, wie Baumwollwanzen und andere Samen fressende Wanzenarten diese Futterquelle verwerten können, die reich an giftigen sekundären Pflanzenstoffen, aber arm an bestimmten essenziellen Nährstoffen ist.

Wissenschaftler der Max-Planck-Forschungsgruppe Insektensymbiose am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie haben sich nun genau mit dieser Fragestellung befasst. Sie wollten herausfinden, welche Rolle symbiontische Bakterien bei der Nahrungsaufnahme von Feuerwanzen spielen. Mit Hilfe der Hochdurchsatz-Sequenzierung entschlüsselten sie fast 300.000 Kopien bakterieller 16S rRNA-Gene und fanden heraus, dass Feuerwanzen eine charakteristische Gemeinschaft von drei bis sechs bakteriellen Symbionten in einer bestimmten Region des Mitteldarms beherbergen. „Die Symbionten werden von der Mutterwanze auf die Eier übertragen, und die frisch geschlüpften Nymphen saugen an der Oberfläche der Eihülle und nehmen die dort befindlichen Bakterien auf“, erläutert Sailendharan Sudakaran, Doktorand in der Arbeitsgruppe. „So wird sichergestellt, dass die Wanzen die Symbionten ihr gesamtes Leben lang behalten und später an die nächste Generation weitergeben.” Feuerwanzen aus verschiedenen geografischen Regionen und sogar über verschiedene Arten hinweg wiesen erstaunlich ähnliche Mikrobengemeinschaften auf, was darauf schließen lässt, dass sie bereits seit Millionen von Jahren mit ihren Bakterien in Symbiose leben.

Um herauszufinden, ob die bakteriellen Symbionten den Wanzen dabei helfen, sich ausschließlich von den giftigen Baumwollsamen zu ernähren, führten die Forscher ein simples, aber elegantes Experiment durch: Sie tauchten die Insekteneier in Bleichlösung und Ethanol und töteten dabei die Bakteriengemeinschaft auf der Eioberfläche, ohne den sich entwickelnden Insektenembryo zu schädigen. Einige der Eier wurden daraufhin mit einer Mischung von Bakterien aus dem Darm einer ausgewachsenen Wanze neu infiziert, während die übrigen Eier symbiontenfrei blieben. Interessanterweise zeigten symbiontenfreie Jungtiere eine deutlich höhere Sterblichkeit. Außerdem entwickelten sie sich langsamer und produzierten viel weniger Nachwuchs als ihre Artgenossen, die ihre natürlichen Symbionten wiedererhalten hatten. „Symbiontenfreie Wanzen zeigten klare Anzeichen von Mangelernährung, obwohl sie mit den gleichen Pflanzensamen gefüttert wurden wie die Vergleichstiere. Dies lässt sich nur dadurch erklären, dass die Symbionten einen wichtigen Beitrag zur Nahrungsverwertung ihrer Wirte leisten“, meint Hassan Salem, einer weiterer Doktorand der Gruppe. Erstaunlich war, dass selbst der Austausch der bakteriellen Gemeinschaften zwischen Gemeinen Feuerwanzen und Baumwollwanzen zu einer reduzierten Fitness in beiden Arten führte. Die Symbiosen sind also trotz ihrer Ähnlichkeit hochspezifisch.

In einem nächsten wichtigen Schritt möchten die Wissenschaftler herausfinden, ob die bakteriellen Symbionten ihre Wirte mit wichtigen Nährstoffen versorgen, die in der ausschließlichen Ernährung mit Samen fehlen, oder ob die Symbionten dabei helfen, schädliche Abwehrstoffe der Pflanze zu entgiften. „Gemeine Feuerwanzen und Baumwollwanzen sind ideale Modellsysteme, um grundlegende Fragen der Insektensymbiose zu beantworten. Denn wir können ihre mikrobiellen Gemeinschaften verändern und austauschen und dann die Fitness der Insekten messen“, erklärt Martin Kaltenpoth, Leiter der Max-Planck-Forschungsgruppe Insektensymbiose. „Die genaue Kenntnis der Wechselwirkungen zwischen Insekten und ihren mikrobiellen Symbionten ist unverzichtbar für das grundlegende Verständnis der Physiologie, Ökologie und Evolution von Insekten.“

Im Fall von Schadinsekten wie der Baumwollwanze können diese Erkenntnisse außerdem neue Wege der biologischen Schädlingsbekämpfung aufzeigen. [MK, AO]

Originalveröffentlichungen:
Sudakaran, S., Salem, H., Kost, C. & Kaltenpoth, M. (2012) Geographic and ecological stability of the symbiotic mid-gut microbiota in European firebugs, Pyrrhocoris apterus (Hemiptera; Pyrrhocoridae). Molecular Ecology 21: 6134-6151.
http://dx.doi.org/10.1111/mec.12027
Salem, H., Kreutzer, E., Sudakaran, S. & Kaltenpoth, M. (in press) Actinobacteria as essential symbionts in firebugs and cotton stainers (Hemiptera, Pyrrhocoridae). Environmental Microbiology, DOI:10.1111/1462-2920.12001

http://dx.doi.org/10.1111/1462-2920.12001

Weitere Informationen:
Dr. Martin Kaltenpoth, +49 3641 57-1800, mkaltenpoth@ice.mpg.de
Bild- und Filmmaterial: Angela Overmeyer M.A., +49 3641 57-2110,
overmeyer@ice.mpg.de oder per Download via http://www.ice.mpg.de/ext/735.html

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