Kohlmotte nutzt Pflanzenabwehrstoff als Signal für die Eiablage

A diamondback moth (Plutella xylostella) on the leaf of the model plant Arabidopsis thaliana, which is a member of the crucifer family and uses the same defense mechanism as cabbage. This pest insect, which is widespread throughout the world, is adapted to the chemical defense of cabbage and related crops. It is also difficult to control chemically because it quickly develops insecticide resistance. Photo: Benjamin Fabian, Max Planck Institute for Chemical Ecology

Ein Forschungsteam der Landwirtschaftlichen Universität in Nanjing, China, und des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena konnte zeigen, dass Isothiocyanate, die Kreuzblütengewächse eigentlich zur Verteidigung gegen Fraßfeinde bilden, Kohlmottenweibchen als Duftsignale dienen, damit sie ihre Eier auf diesen Pflanzen ablegen können. Die Wissenschaftler identifizierten zwei Geruchsrezeptoren, deren einzige Aufgabe darin besteht, diese Duftstoffe aufzuspüren und den Weg zum idealen Eiablageplatz zu weisen. Sie konnten damit zeigen, warum ein auf bestimmte Wirtspflanzen spezialisiertes Insekt von Substanzen angelockt wird, die eigentlich Schädlinge fernhalten sollen.

Vom Abwehrstoff zum Lockstoff

Kreuzblütengewächse, wie Kohl, Raps, Senf und Meerrettich, bilden giftige Isothiocyanate, um sich gegen gefräßige Insekten zur Wehr zu setzen. Wenn das Pflanzengewebe verletzt wird, z.B. durch ein kauendes Insekt, werden Senfölglycoside aus dem Gewebe durch ein pflanzeneigenes Enzym so gespalten, dass eine Reihe von Giftstoffen, hauptsächlich Isothiocyanate, gbildet werden, mit denen Pflanzen ihre Fraßfeinde abschrecken. Dieser Abwehrmechanismus funktioniert auch bei den meisten Pflanzenfressern sehr gut. Die Kohlmotte Plutella xylostella hat allerdings im Laufe der Evolution Mechanismen entwickelt, diese Abwehr außer Kraft zu setzen und Pflanzen der Kohlfamilie erfolgreich zu befallen.

„Wir wollten wissen, ob die Falter Isothiocyanate als Dufthinweise nutzen, um ihre Wirtspflanzen zu finden. Tatsächlich konnten wir in Verhaltensexperimenten mit weiblichen Faltern zeigen, dass drei Isothiocynate Schlüsselsignale für die Eiablage darstellen,“ sagt Studienleiter Shuang-Lin Dong von der Landwirtschaftlichen Universität in Nanjing.

Zwei auf Isothiocyanate spezialisierte Geruchsrezeptoren steuern die Eiablage

Die eigentliche Frage aber war für die Wissenschaftler, auf welchen molekularen Mechanismen die Wahl des Eiablageplatzes durch die Kohlmottenweibchen beruht. Daher prüften sie, welche Geruchsrezeptoren verstärkt in weiblichen Faltern gebildet werden und exprimierten diese „weiblichen“ Rezeptoren in den Eizellen von Fröschen. „Mit dieser Methode konnten wir bestimmen, welcher einzelne Geruchsrezeptor auf welchen Duft reagiert. Es zeigte sich, dass zwei Rezeptoren, OR35 und OR49, auf die drei Isothiocyanate reagierten, die wir zuvor als entscheidend für die Eiablage identifiziert hatten“, sagt Markus Knaden aus der Abteilung Evolutionäre Neuroethologie des Max-Planck-Instituts in Jena.

Diese beiden Rezeptoren reagierten auf keine anderen Pflanzenduftstoffe oder die Sexuallockstoffe der Falter. Vermutlich haben sich OR35 und OR49 zielgerichtet entwickelt, um genau die Isothiocyanate als Eiablage-Signale aufzuspüren. „Warum es gleich zwei Rezeptoren sind, hat uns überrascht. Die Rezeptoren spüren allerdings die Isothiocyanate unterschiedlich empfindlich auf. Der empfindlichere Rezeptor könnte daher dafür sorgen, dass weibliche Falter Pflanzen schon von weitem lokalisieren können, während der andere Rezeptor dabei hilft, höhere Konzentrationen der Substanzen auf der Pflanze zu entdecken. So erhält das Kohlmottenweibchen mehr Informationen über das Substrat, auf das es seine Eier ablegen wird,“ meint Shuang-Lin Dong.

Überprüfung der Genfunktion mittels CRISPR-Cas9-Knockout

Die Forscher nutzten die CRISPR-Cas9-Genschere, um in Faltern die die Rezeptoren kodierenden Gene auszuschalten. Diese Methode wird dafür genutzt, um die Funktion eines bestimmten Merkmals zu überprüfen. Für die Eiablage- Experimente verwendeten sie die Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana, eine Modellpflanze, die auch zu den Kreuzblütengewächsen gehört. Eine Gruppel dieser Pflanzen war unverändert und produzierte Isothiocyanate, während eine andere Gruppe aus Mutanten bestand, die nicht in der Lage waren, die für die Falter attraktiven Substanzen zu bilden. War einer der beiden Geruchsrezeptoren der Motten inaktiviert, legten sie deutlich weniger Eier auf die normalerweise bevorzugten, nach Isothiocyanaten duftenden Pflanzen. Waren jedoch beiden Rezeptoren ausgeschaltet, dann war es den Motten unmöglich, zwischen unveränderten Arabidopsis-Pflanzen und den Mutanten zu unterscheiden.

Mogler im Wettstreit zwischen Pflanzen und Insekten

Im Laufe der Evolution haben Pflanzen vielfältige Strategien entwickelt, um sich gegen Pflanzenfresser zu verteidigen. Hierzu gehört auch die chemische Kommunikation. „Meistens ist es für eine Pflanze von Nutzen, wenn sie möglichen Fraßfeinden signalisieren kann, dass sie ihr Verteidigungssystem aktiviert hat. Allerdings gibt es immer jemanden, der diese Kommunikation für seine eigenen Zwecke missbraucht, wie etwa die Kohlmotte, die ein Verteidigungssignal nutzt, um sich auf dieser Pflanze zu vermehren,“ sagt Markus Knaden. Herauszufinden, wie diese „Mogler“ die Abwehr der Pflanze austricksen und sogar für ihren eigenen Vorteil nutzen, könnte dazu beitragen, die Bekämpfung weltweiter Ernteschädlinge, wie der Kohlmotte, zu verbessern: „Unsere Ergebnisse bieten verschiedene Ansätze, diesen Schädling zu kontrollieren: Einerseits könnten wir die identifizierten Isothiocyanate oder ähnlich attraktive Substanzen als Lockstoffe nutzen. Andererseits könnten wir versuchen, durch andere Substanzen die Wahrnehmung der Isothiocyanate so zu manipulieren, dass die Falter ihre Wirtspflanzen nicht mehr finden können,“ fasst Shuang-Lin Dong zusammen.

Weitere Untersuchungen sind geplant, um zu überprüfen, ob auch andere Schädlinge auf Kreuzblütlern spezielle Rezeptoren nutzen, um Isothiocyanate aufzuspüren und ihre Eier auf den Pflanzen abzulegen. Die Ergebnisse werden darüber Aufschluss geben, wie weit die spezialisierte Wahrnehmung dieser Gerüche auch in anderen Arten erhalten ist.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Markus Knaden, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Str. 8, 07745 Jena, Germany, Tel. +49 3641 57-1421, E-Mail mknaden [at] ice.mpg.de
Shuang-Lin Dong, Ph.D., Nanjing Agricultural University, College of Plant Protection, Nanjing, China, E-Mail sldong [at] njau.edu.cn

Originalpublikation:

Liu, X.-L., Zhang, J., Yan, Q., Miao, C.-L., Han, W.-K., Hou, W., Yang, K., Hansson, B- S., Peng, Y.-C., Guo, J.-M., Xu, H., Wang, C.-Z., Dong, S.-L., Knaden, M. (2020). The molecular basis of host selection in a crucifer-specialized moth. Current Biology, https://doi.org/10.1016/j.cub.2020.08.047

Weitere Informationen:

http://www.ice.mpg.de/ext/index.php?id=1646&L=1

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