Kein Leben ohne Kaffee!

Darmbakterium immunisiert den Kaffeebohrer gegen Koffein

03.08.2015 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Kaffeebohrer auf einer befallenen Kaffeekirsche - oder das, was zumindest davon übrig blieb.(Bildquelle: © L.Shyamal/wikimedia.org/CC BY-SA 3.0)
Kaffeebohrer auf einer befallenen Kaffeekirsche - oder das, was zumindest davon übrig blieb.(Bildquelle: © L.Shyamal/wikimedia.org/CC BY-SA 3.0)

Forscher lüften das Geheimnis, warum Koffein dem Kaffebohrer-Käfer nichts anhaben kann. Dabei entdecken sie die Achillesferse des gefürchteten Kaffeeschädlings: Psdeunomonas fulva. Die Bakterienart besiedelt den Darm des Käfers und nutzt den Pflanzenabwehrstoff Koffein als Nahrung. Mit dieser Entdeckung wollen die Forscher neue Wege bei der Entwicklung von Pflanzenschutzmitteln erschließen.

Kaum größer als ein Reiskorn und trotzdem der Schrecken aller Kaffeproduzenten: der Kaffeekirschenkäfer  (Hypothenemus hampei) aus der Familie der Borkenkäfer (Scolytinae), besser bekannt unter dem Namen Kaffeebohrer. Jedes Jahr verursacht der kleine Schädling Schäden in Höhe von Hunderten Millionen US-Dollar und bedroht die Existenz von zig Millionen Familien. Sein Vorteil ist, dass er gegenüber dem Stimulans und Pflanzengift Koffein immun ist. Möglich macht dies ein Bakterium, das in der Darmflora des Kaffeebohrers lebt: Psdeunomonas fulva. Ein spezielles Enzym versetzt es in die Lage, Koffein abzubauen und unschädlich zu machen. Natürlich nicht ohne Eigennutz, versteht sich: Das Aufputschmittel ist seine Hauptnahrungsquelle. Durch diese Symbiose gelang es dem Käfer eine Nische zu besetzen. Gleichzeitig hoffen Forscher mit diesem neuen Wissen, auch eine Möglichkeit zur Bekämpfung des gefürchteten Schädlings gefunden zu haben.

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Klar wird, woher der Kaffeekirschenkäfer seinen Spitznamen hat. Sechs Zähne helfen dem Schädling, ein Loch in die Kaffeekirsche zu sägen.

Klar wird, woher der Kaffeekirschenkäfer seinen Spitznamen hat. Sechs Zähne helfen dem Schädling, ein Loch in die Kaffeekirsche zu sägen.

Bildquelle: © L.Shyamal/wikimedia.org/CC BY-SA 3.0

Das Gift der Kaffeepflanze

Dass wir Menschen Kaffee lieben, liegt an seinem aromatischen Duft und Geschmack wie auch an seiner belebenden Wirkung. Bestens bekannt ist der natürliche Wirkstoff, dem wir die aufputschende Wirkung zu verdanken haben: Koffein. Weniger dagegen jedoch, dass es sich dabei eigentlich um ein Abwehrmittel, ein sekundärer Pflanzenstoff, handelt, mit dem sich Pflanzen gegen hungrige Fraßfeinde zur Wehr setzen. Wer von ihnen sich nicht von dem bitteren Geschmack abhalten lässt, der hat mit Beeinträchtigungen im Zellstoffwechsel und Schäden am Erbgut zu rechnen. Aber keine Sorge, für uns Menschen besteht kein Anlass zur Sorge. Wir kommen mit den Konzentrationen an Koffein sehr gut zurecht.

Koffein schützt Kaffeesamen

Kaffeepflanzen (Coffea) produzieren den Wirkstoff in ihren Früchten – und nur dort –, um ihre Samen vor den hungrigen Insekten zu schützen. Blätter, Zweige oder andere Pflanzenteile sind dagegen koffeinfrei, weshalb über 850 Arten bekannt sind, die sich mit jenen Pflanzenteilen begnügen. Zwar gibt es eine Handvoll Insekten, die ab und an nicht von den Kaffeebohnen lassen können, einzigartig ist jedoch der Kaffebohrer: Nicht nur, dass er sich ausschließlich von dem koffeinhaltigen Fruchtfleisch ernährt, vielmehr ist die Kaffebohne zudem Brutkasten, Behausung und Hochzeitssuite.

Ein Leben in der Kaffebohne

Die Weibchen nutzen die unreifen Kaffeebohnen als Ablageplatz für ihre Eier, von denen sie über 100 Stück deponieren. Auf eine Kaffeebohne kommt genau ein Weibchen. Da die Männchen keine Flügel besitzen, sind sie zu einem Leben in der Kaffeebohne verdammt. Dies ist auch der Grund, warum die Paarung und Befruchtung dort stattfindet. Doch wie ist es möglich, dass der Käfer sein ganzes Leben lang in der Bohne lebt und überlebt? Ist er in der Lage, das Koffein abzubauen und unschädlich zu machen? Oder scheidet er den Wirkstoff einfach aus?

Kaffebohrer aus aller Welt

Um diese Frage zu beantworten, machten sich die Forscher daran, Kaffebohrer aus mehreren Anbauregionen in der Welt – Kenia, Indien, Puerto Rico, Hawaii, Guatemala und Mexiko -  genauer unter die Lupe zu nehmen. Aber auch einen im Labor gezüchteten Stamm, sowie drei Verwandte Käfer, die nicht in der Lage sind, Koffein abzubauen. Allen gemeinsam wurde zunächst ein grünes Püree aus unreifen Kaffeebohnen vorgesetzt, um zu beobachten, inwiefern sie in der Lage sind, das darin enthaltene Koffein zu verdauen. Bis auf die drei erwähnten Käferarten, war in den Exkrementen aller Kaffeebohrer nach drei Stunden kein Koffein mehr nachzuweisen.

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Statt sich mit den koffeinfreien und reichhaltig vorhandenen Pflanzenteilen wie die Blätter zu begnügen, stürzt sich der Schädling auf die koffeinhaltigen Kirschen.

Statt sich mit den koffeinfreien und reichhaltig vorhandenen Pflanzenteilen wie die Blätter zu begnügen, stürzt sich der Schädling auf die koffeinhaltigen Kirschen.

Bildquelle: © wanhoff /wikimedia.org/CC BY-SA 2.0

Der Schlüssel ist die Darmflora

Der Verdacht, dass der Käfer das Koffein einfach ausscheiden könnte, erwies sich somit als Sackgasse. Der Schlüssel zur Resistenz musste in der Darmflora liegen, die Gesamtheit aller Mikroorganismen im Darm, wie die Forscher vermuteten. Eine mehrwöchige Behandlung mit Antibiotika lieferte anschließend die Bestätigung: Nachdem die Käfer sämtlicher Darmbakterien entledigt wurden, waren sie nicht mehr in der Lage, das Koffein abzubauen. Anders als vorher enthielten ihre Ausscheidungen nach der Behandlung mit Antibiotika Koffein.

19 Kandidaten für die engere Auswahl

Die Forscher machten sich nun daran, die Darmflora der Kaffeebohrer genauer zu untersuchen. Das Ergebnis: In der Darmflora aller Kaffebohrer, die in der Lage waren, Koffein abzubauen, fanden sich insgesamt 19 Bakterienarten aus sechs Familien. Am häufigsten die Pseudomonaden (Pseudomonadales).

Pseudomonas fulva dient Koffein als Hauptnahrungsquelle

Um den Kreis der Verdächtigen zu verkleinern, platzierten die Forscher die Bakterien zunächst auf einem koffeinhaltigen Nährboden, um herauszufinden, welche Bakterien von ihnen überhaupt in der Lage sind, Koffein abzubauen und welche nicht: Fünf der 19 Arten überlebten diesen Prozess nicht. Unter den Überlebenden zog dann eine Bakterienkolonie aus der Familie der Pseudomonaden, Pseudomonas fulva, die Aufmerksamkeit auf sich: Es schien, als würde ihm das Koffein als Hauptnahrungsquelle dienen.

ndmA-Gen ist der Schlüssel

Tatsächlich: Die Untersuchung des Erbguts ergab, dass das Bakterium im Gegensatz zu allen anderen über das ndmA-Gen verfügt. Ein Gen, welches die Herstellung eines Enzyms (N-Demthylase) ermöglicht, mit dem es das Koffein zersetzt und abbaut. Nicht jedoch, um sich und den Kaffebohrer zu schützen, sondern um sich zu ernähren. Das Enzym versetzt das Bakterium in die Lage, das Grundgerüst des Koffeins aufzubrechen, so dass es  sich mit den darin enthaltenen lebensnotwendigen Stoffen Kohlenstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Sauerstoff bedienen kann.

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Auch auf Kaffeeplantagen in Costa Rica treibt der Kaffeebohrer sein Unwesen. Sehr zum Leid vieler Produzenten, Bauern und Familien. Schließlich gilt Kaffee aus Costa Rica als Exportschlager.

Auch auf Kaffeeplantagen in Costa Rica treibt der Kaffeebohrer sein Unwesen. Sehr zum Leid vieler Produzenten, Bauern und Familien. Schließlich gilt Kaffee aus Costa Rica als Exportschlager.

Bildquelle: © Oliver Brunner/ pixelio.de

Kaffebohrer und Bakterium als eingespieltes Team

Ohne die Hilfe von Pseudomonas fulva wäre es dem Kaffeebohrer nicht möglich, als Schmarotzer in den Früchten des Kaffeebaumes zu überleben. Gleichzeitig findet der Darmbewohner nirgendwo sonst ein derartiges Überangebot an Koffein vor. Während  das Darmbakterium und der Kaffeebohrer also in einer mutualistischen Symbiose zum gegenseitigen Vorteil leben, ist die Beziehung zwischen dem Kaffeebohrer und seinem Wirt hingegen von parasitärer Art, also zum Nachteil des Kaffeebaumes.

Symbiont als Achillesferse

Doch lässt sich der Nachteil nicht auch zum Vorteil ummünzen? Da die Schwachstelle des Kaffeebohrers entlarvt ist, sehen die Forscher nun die Möglichkeit, neue Bekämpfungsmittel zu entwickeln, die sich nicht gegen den Kaffeebohrer richten, sondern gegen seinen Symbionten, der Darmbewohner. Zwar erfolgt die Bekämpfung des Kaffeebohrers bereits über synthetische Insektizide wie auch mit Hilfe biologischer Antagonisten, z.B. Wespen, Pilze oder andere Insekten, jedoch rechnen die Forscher damit, dass aufgrund des Klimawandels der Befall zunehmen wird und somit auch die Nachfrage nach effizienteren Mitteln. Der Grund sind vor allem die steigenden Temperaturen in höher gelegenen Anbauregionen.

Mikrobiom als Angriffspunkt für Pflanzenschutzmittel

Der Vorteil ihres Ansatzes liegt auf der Hand: Durch das Zielen auf die Achillesferse des Kaffebohrers werden andere Insektenarten verschont. Sie würden nicht mehr einem Breitband-Bekämpfungsmittel zum Opfer fallen. Daher plädieren die Forscher am Ende ihrer Arbeit für einen neuen Weg bei der Entwicklung von Schädlingsbekämpfungsmitteln, bei dem nicht der zu bekämpfende Schädling im Fadenkreuz steht, sondern sein Mikrobiom, das nicht anders als beim Menschen entscheidend ist für sein Leben und Überleben. Bleibt nun abzuwarten, ob der nächste Schritt gelingt.

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