Bakteriengen macht Insekten zu Schädlingen

Horizontaler Gentransfer von einem Bakterium auf ein Insekt ermöglicht diesem ein neues Wirtsspektrum. Am Beispiel des Kaffeekirschenkäfers konnte ein solcher Gentransfer, der zur Veränderung der Fraßgewohnheiten führte, nachgewiesen werden.

Der Kaffeekirschenkäfer (Hypothenemus hampei) ist der am weitesten verbreitete Schädling der Kaffeepflanzen. Obwohl nur wenige Millimeter groß, kann er ganze Ernten vernichten und Kaffeebauern in den Ruin treiben. Der Käfer verursacht jährlich weltweit Schäden in Höhe von über 500 Millionen US-Dollar. Der weibliche Kaffeekirschenkäfer bohrt sich in die Früchte der Kaffeepflanze und legt seine Eier innerhalb dieser Kaffeekirschen ab. Die Larven ernähren sich von diesen. Die Fressgewohnheiten legen nahe, dass die Käferlarven die Polysaccharide in den Kaffeebohnen enzymatisch verdauen können. Der genaue Ablauf dieses Vorgangs ist bisher nur wenig bekannt. Klar ist hingegen, dass nur wenige Insekten Galactomannan die Hauptkomponente der Kohlenhydrate von Kaffeebohnen verdauen können.

Um dies genauer zu erforschen, untersuchten Wissenschaftler den Darm des Kaffeekirschenkäfers auf Verdauungsenzyme. Sie identifizierten ein Protein das der Mannanase ähnlich ist. Mannanase ist ein Enzym, das den für Kaffee-spezifischen Zucker abbaut. Das Gen, HhMAN1, welches dieses Protein translatiert, ist jedoch im Genpool der Insekten nicht vorhanden.

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Obwohl man bei dem Gen einige Merkmale von Eukaryoten fand (Poly(A)-Schwanz  sowie keine Shine-Dalgarno-Sequenz), weist die Gensequenz starke Ähnlichkeit mit denen von Bakterien auf. Da ausgeschlossen werden konnte, dass kontaminierende Darmbakterien in den Insekten dafür verantwortlich sind, lag die Vermutung nah, dass diese Sequenzen in das Käfergenom übertragen wurden. Um dies zu beweisen wurden die angrenzenden Areale des Mannanase-Gens sequenziert. Diese DNA-Abschnitte waren eindeutig eukaryontische Transposons, also Sequenzen, die innerhalb der DNA ihren Standort wechseln können. Dies sehen die Forscher als klaren Beweis dafür an, dass sich das Bakteriengen in das Käfergenom eingebettet hat. Das artfremde Gen ist somit ein Beweis für einen horizontalen Gentransfer von einem niederen, in diesem Fall ein Bakterium, auf einen höheren Organismus.

Die Weitergabe bzw. Aufnahme genetischen Materials ohne geschlechtliche Fortpflanzung und unabhängig von bestehenden Artgrenzen ist unter natürlichen Bedingungen ein sehr seltenes Ereignis, vor allem im Tierreich. Sollte das Gen tatsächlich von einem Bakterium abstammen, wäre dies nicht nur ein Beweis für den seltenen Gentransfer bei Tieren, sondern auch für die ökologische Bedeutung dieses Vorgangs. Oft ist der Nutzen des Genaustauschs unklar. Hier wäre ein klarer Vorteil für das Insekt zu erkennen: Die Erschließung neuer Nahrungsquellen. Der Kaffeekirschkäfer ist nur aufgrund dieses Gens in der Lage Kaffeebohnen zu verdauen. Dieses Bakterien-Gen macht den Käfer zum weltweit gefürchteten Kaffeeschädling Nr. 1. Die Forscher sind überzeugt, dass das Mannanase-Gen zuerst in das Genom der Käfer migrierte und sich diese im Anschluss Kaffeebohnen als Nahrungsgrundlage erschlossen haben.