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Team des Max-Planck-Instituts Jena und der Universitäten Gießen und Mainz untersucht Rolle von Bakterien und Hefen für den ökologischen Erfolg von Insekten
Ein Team von Forscherinnen und Forschern des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena, des Fraunhofer-Instituts für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie, der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) und der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz hat die Rolle des Schwarzhörnigen Totengräbers (Nicrophorus vespilloides) und seiner Mikroorganismen bei der Verdauung und chemischen Konservierung von Aas während der Brutzeit untersucht. Totengräber-Käfer nutzen Aas als eine zwar nahrhafte, aber schnell vergängliche Nahrungsquelle, die sie vergraben und durch die Zugabe von Mund- und Analsekreten chemisch konservieren.
Im Darm des Käfers fanden die Wissenschaftler Hinweise auf eine Vielzahl von Enzymen und antimikrobiellen Proteinen, die dafür sorgen, dass ein Kadaver verdaut und haltbar gemacht wird. Außerdem werden Mikroorganismen aus dem Darm, die der Käfer mit seinen analen Ausscheidungen auf dem Kadaver aufbringt, auf die Käferlarven übertragen. (Nature Communications, May 9, 2017, DOI: 10.1038/ncomms15186)
Mit mehr als einer Million beschriebener Arten repräsentieren Insekten die Gruppe von Lebewesen mit der höchsten Artenvielfalt. Ihren außergewöhnlichen evolutionären Erfolg verdanken Insekten zumindest teilweise ihren mikrobiellen Symbionten, also Mikroorganismen, die im jeweiligen Insekt vorkommen. Sie helfen ihnen, neue ökologische Nischen zu erschließen, beispielsweise über die Fähigkeit, ungewöhnliche Nahrung zu verdauen. Insekten, die schnell vergängliche oder temporäre Nahrungsquellen nutzen, minimieren die Entwicklungszeit ihrer Larven und vermeiden so Konkurrenz und Räuber. Allerdings benötigen diese Insekten einen hochwirksamen Verdauungsmechanismus, der für eine rasche Aufnahme von Nährstoffen und Umwandlung von Biomasse während der Larvenentwicklung sorgt. Gleichzeitig müssen Insekten, die Futter für ihre Larven bereithalten, Verhaltensstrategien und Möglichkeiten der chemischen Essenskonservierung entwickeln, die ihnen einen Vorteil gegenüber Konkurrenten verschaffen.
Ein faszinierendes Beispiel sind Totengräber-Käfer (Nicrophorus spp), die sich von den Kadavern kleiner Säugetiere oder Vögel ernähren und dort auch ihre Eier ablegen. Sobald ein Kadaver aufgespürt wurde, arbeiten die Käfereltern gemeinsam daran, das tote Tier zu vergraben und somit vor konkurrierenden Fliegen zu verstecken, die ebenfalls ihre Eier dort ablegen wollen. Außerdem entfernen sie die Haare oder Federn und formen einen „Fleischball“, den sie als Nahrung für ihren Nachwuchs vorbereiten. Ein totes Tier ist eine wertvolle, wenn auch vergängliche Nahrungsquelle. Daher ist die Konkurrenz zu Bakterien und Pilzen, die auch den Kadaver zersetzen, groß. Diese schädlichen Mikroorganismen ändern nämlich nicht nur den Nährwert des Kadavers, sondern sie machen ihn ungenießbar oder sogar giftig für Tiere.
Das Gesamtheit aller aktiven Gene und die Gesamtheit aller Mikroorganismen des Totengräbers geben nun Aufschluss über potenzielle Mechanismen zur Konservierung und Aufbereitung der Nahrung für den Nachwuchs sowie der Abwehr von Konkurrenten. Die spezifische Produktion von Verdauungsenzymen und antimikrobiellen Proteinen als auch die charakteristischen Bakterien und Pilze im Darm des Käfers sind wahrscheinlich essentiell für die Effizienz des elterlichen Brutpflegeverhaltens. Die Eltern übertragen Sekrete, die reich an Enzymen, antimikrobiellen Wirkstoffen und symbiotischen Mikroorganismen sind, auf die Nahrung und reinigen sie chemisch von Krankheitserregern. „Wir waren besonders überrascht, dass die von uns identifizierten symbiotischen Hefepilze nicht nur in Analsekreten der Totengräber zu finden waren, sondern auch auf den Nachwuchs übertragen wurden und auf dem Kadaver selbst aktiv waren,“ erklärt Heiko Vogel vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie.
Dem Totengräber ähnliche Verhaltensweisen sind bei vielen Insekten zu finden, die Brutpflege betreiben, und könnten dort vergleichbare Funktionen für die Verdauung, Entgiftung und Konservierung erfüllen. Die Ergebnisse dieser Studie weisen darauf hin, dass die Kooperation mit einer vielfältigen Gemeinschaft von Bakterien und Hefen zumindest teilweise für den ökologischen Erfolg von Totengräbern verantwortlich ist. „Unsere Ergebnisse untermauern auch neuere Konzepte in der Biologie, die zwischen einer flexiblen, von der Umwelt veränderbaren mikrobiellen Gemeinschaft und einer an den Wirt angepassten, permanenten Darmflora unterscheiden“ erläutert Prof. Andreas Vilcinskas vom Institut für Insektenbiotechnologie der JLU.
Die Studie wurde im Rahmen des Projekts „Einsatz von Insekten-assoziierten Mikroorganismen in der industriellen Biotechnologie“ (AIM-Biotech) durchgeführt, das gemeinsam von der Max-Planck-Gesellschaft und der Fraunhofer-Gesellschaft finanziert wird, um den Werkzeugkasten für die industrielle (weiße) Biotechnologie zu erweitern. Diese konzentriert sich auf die Umwandlung von Naturstoffen (auch Abfallprodukte) in nützliche Industrieprodukte und nutzt dafür überwiegend Mikroorganismen und/oder Enzyme. Insekten und ihre durch Koevolution entstandenen Mikroorganismen kooperieren möglicherweise, um ungewöhnliche oder herausfordernde Biomasse, wie Tierkadaver, in Nahrung für ihren Nachwuchs zu verwandeln. Nützliche Mikroorganismen aus Insekten, die in Fermentern kultiviert werden können, sind von besonderem Interesse, da sie die biologische Umwandlung von organischen Abfällen in höherwertige Produkte ermöglichen. Die neuartigen Hefen, die als Symbionten mit dem Totenkäfer kooperieren, sind vielversprechende Quellen neuer Enzyme für solche biotechnologische Anwendungen.
Originalveröffentlichung
Vogel, H., Shukla, S.P., Engl, T., Weiss, B., Fischer, R., Steiger, S., Heckel, D.G., Kaltenpoth, M., & Vilcinskas, A. (2017). The digestive and defensive basis of carcass utilization by the burying beetle and its microbiota. Nature Communications, DOI: 10.1038/ncomms15186
Bildtexte
Ein adulter Totengräber-Käfer (N. vespilloides) ist im Begriff loszufliegen. Die Käfer stellen ihre elterliche Fürsorge dadurch zur Schau, dass sie ihrem Nachwuchs Tierkadaver als Futter zur Verfügung stellen, die von ihnen vorverdaut und chemisch haltbar gemacht wurden. Dafür tragen sie Mund- und Analsekrete auf die Kadaver auf. Foto: Martin Kaltenpoth, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie
Bakterien, die hintere Darmabschnitte des Totengräbers N. vespilloides besiedeln. Die Abbildung zeigt einen Querschnitt des bakterienreichen Enddarms eines adulten Käfers. Die mit Fluoreszenz markierten Bakterien sind gelb oder grün dargestellt, die Zellkerne des Wirts blau. Fluoreszenz-Mikroskopie: Martin Kaltenpoth, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie
Kontakt
Dr. Heiko Vogel, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Straße 8, 07745 Jena, Germany, +49 3641 57-1512, E-Mail: hvogel@ice.mpg.de
Prof. Dr. Andreas Vilcinskas, Institut für Insektenbiotechnologie, Justus-Liebig-Universität Gießen, 35392 Gießen, Germany, Tel. 0641 99-37600, E-Mail: andreas.vilcinskas@agrar.uni-giessen.de
Prof. Dr. Martin Kaltenpoth, Johannes-Gutenberg-Universität Mainz, Johann-Joachim-Becher-Weg 13, 55128 Mainz, Tel. +49 6131 3924411, E-Mail: mkaltenpoth@uni-mainz.de
http://www.nature.com/articles/ncomms15186
Foto
Martin-Planck-Institut für chemische Ökologie
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Fluoreszenz-Mikroskopie
Martin Kaltenpoth, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie
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Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wissenschaftler
Biologie
überregional
Forschungsergebnisse
Deutsch
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