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Raupen überleben Pflanzengift mit chemischem Zucker-Trick

Das Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena hat entdeckt, das Tabakschwärmerraupen über einen erstaunlichen Entgiftungsmechanismus verfügen. Bekanntlich besitzen Pflanzen einen großen Köcher mit unzähligen Giftpfeilen, getränkt in giftige Verbindungen, um Fraßfeinde abzuwehren. Gleichzeitig muss eine Pflanze sicherstellen, dass das Gift in Verwendung nicht sie selber schädigt. Daher binden viele Pflanzen Zuckermoleküle an diese Gift-Substanzen. Glycosidasen, Verdauungsenzyme im Darm von Insekten spalten den Zucker ab, was zur Freisetzung des Giftes führt und damit zu unangenehmen bis schädigenden Folgen für den vermeintlichen Gourmet.

Manduca sexta | Foto: Anna Schroll

Manduca sexta | Foto: Anna Schroll

Zum ersten Mal nun beschrieben nun Forscher des Max-Planck-Institutes in “Nature Communications”, dass die Abspaltung von Zucker aber auch ein Entgiftungsmechanismus als Anpassung von Insekten an die natürliche pflanzliche Abwehr sein kann. Dazu erforschten sie die Abwehrstoffe im Kojotentabak Nicotiana attenuata. Interessant war die Verbindung Lyciumosid IV, die drei Zuckermoleküle enthält und für Larven des Tabakschwärmer-Raupe Manduca sexta giftig ist. Die Aufnahme der Verbindung in der Nahrung führt zu massiver Verminderung der Körpermasse der Raupe, daher nahm man an, dass die Zuckermoleküle im Darm der Insekten abgespalten würden und das so freigesetzte Gift diese Wirkung verursacht. Stattdessen kamen die Wissenschafter in ihren Untersuchungen zu einem Ergebnis, das dieser gängigen Vorstellung widerspricht: Lyciumosid IV wird gar nicht vollständig glycolisiert, nicht alle Zuckermoleküle abgespalten. Glycosidasen im Raupen-Darm spalten nur eine Zuckergruppe von der Verbindung ab und wandeln diese so in eine neue Verbindung um. Anders als Lyciumosid IV hat diese neue Substanz aber keine schädliche Wirkung, was nahelegt, dass es sich um eine entgiftete Form handeln muss. Erstmal konnten Forscher nun zeigen, dass das Entfernen eines Zuckermoleküls von einem pflanzlichen Abwehrstoff zu dessen Entgiftung führen kann.

Schematische Darstellung der Deglykosylierung durch eine Glycosidase im Darm einer Tabakschwärmerlarve (Manduca sexta). | Grafik: Sagar Pandit, MPI chem. Ökol.

Schematische Darstellung der Deglykosylierung durch eine Glycosidase im Darm einer Tabakschwärmerlarve (Manduca sexta). | Grafik: Sagar Pandit, MPI chem. Ökol.

„Dass Glycosidasen, die eine wichtige Rolle bei der Verdauung und Giftfreisetzung spielen, auch umgekehrt funktionieren und pflanzliche Abwehrstoffe entgiften können, eröffnet eine neue Dimension im Wettstreit zwischen Pflanzen und Insekten. Die Entdeckung eines ungewöhnlichen Entgiftungsmechanismus verdanken wir in erster Linie einem Forschungsansatz, der auf „reverser Genetik“ basiert und bei dem die Bedeutung von Merkmalen eines Lebewesens mittels Ausschalten der entsprechenden Gene untersucht wird. Wie sich ein so veränderter Organismus in der freien Natur verhält, wird anschließend beobachtet. Wir nennen diesen Ansatz „Frag das Insekt“ bzw. „Frag das Ökosystem“. Die daraus gewonnenen Ergebnisse ermöglichen es uns, einen Mechanismus zu begreifen, der den bisherigen Erkenntnissen zur Rolle von Glycosidasen und zur Entgiftung pflanzlicher Abwehrstoffe vollkommen widerspricht. Insofern trägt unser unvoreingenommener Forschungsansatz wesentlich dazu bei, die Komplexität der pflanzlichen Verteidigung und der Anpassungen von Insekten besser zu verstehen,“ erläutert Sagar Pandit, der an der Studie maßgeblich mitgearbeitet hat.

Häutungsschäden bei Raupen, deren Glycosidase-Gen ausgeschaltet wurde (b, c, d), im Vergleich zu einer Kontrollraupe (a). Alle Raupen hatten Lyciumosid IV mit der Nahrung aufgenommen. | Foto: Sagar Pandit, MPI chem. Ökol.

Häutungsschäden bei Raupen, deren Glycosidase-Gen ausgeschaltet wurde (b, c, d), im Vergleich zu einer Kontrollraupe (a). Alle Raupen hatten Lyciumosid IV mit der Nahrung aufgenommen. | Foto: Sagar Pandit, MPI chem. Ökol.

Den Forschern gelang es, die Bedeutung des ungewöhnlichen Entgiftungsmechanismus für Tabakschwärmerraupen in der Natur nachzuweisen. Sie identifizierten zunächst die Glycosidase, die den Zucker von Lyciumosid IV entfernt. Anschließend generierten sie Raupen mit unterdrückter Glycosidase-Aktivität, indem sie das entsprechende Glycosidase-Gen ausschalteten, um dann den Effekt des Pflanzengifts auf die so beeinträchtigten Raupen zu untersuchen. Das Raupengen wurde mit einer modernen Methode stillgelegt, die „pflanzenvermittelte RNA-Interferenz (RNAi)“ heißt. Bei dieser Methode werden gentechnisch veränderte Tabakpflanzen hergestellt, die das Signal zur Stilllegung eines spezifischen Gens auf Insekten übertragen, die mit den RNAi-Pflanzen gefüttert werden. Interessanterweise hatten die Raupen, deren Glycosidase-Gen ausgeschaltet worden war, nach Aufnahme von Lyciumosid IV mit der Nahrung große Probleme beim Häuten und starben schließlich. Dies legt nahe, dass die Entgiftung von Lyciumosid IV für Raupen lebensnotwendig ist, um dessen tödliche Wirkung zu verhindern.

Die Forscher wollen nun herausfinden, ob es natürliche Varianten des Tabakschwärmers oder art-verwandte Arten gibt, die bereits einen Mechanismus zur Sequestrierung entwickelt haben, ohne Nebenwirkungen auszuweisen. Außerdem bleibt die Frage interessant, warum die Deglykosylierung sich lediglich auf die Entfernung  einer Zuckergruppe beschränkt.

Publikation

Poreddy, S., Mitra, S., Schöttner, M., Chandran, J. N., Schneider, B., Baldwin, I. T., Kumar, P., Pandit, S. S.
Detoxification of hostplant’s chemical defence rather than its anti-predator co-option drives β-glucosidase-mediated lepidopteran counter-adaptation.
Nature Communications, 6:8525

DOI: 10.1038/ncomms9525

Kontakt

Sagar S. Pandit
Max-Planck-Institut für chemische Ökologie
Jena