Zucker macht das Pflanzengift

Neuer Entgiftungsmechanismus bei Raupen entdeckt

04.11.2015 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Die gefräßigen Raupen des Tabakschwärmers sind in der Lage, das Gift (Lyciumosid IV) des Kojotentabaks zu entschärfen. Mit Hilfe eines bis dato unbekannten Tricks. (Bildquelle: © Anna Schroll)
Die gefräßigen Raupen des Tabakschwärmers sind in der Lage, das Gift (Lyciumosid IV) des Kojotentabaks zu entschärfen. Mit Hilfe eines bis dato unbekannten Tricks. (Bildquelle: © Anna Schroll)

Am Beispiel von Tabakschwärmerraupen finden Forscher des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena einen neuen, bisher unbekannten Entgiftungsmechanismus, mit dem diese sich vor dem Gift des Kojotentabaks schützen. Sie entdecken damit eine neue Pflanzen-Herbivoren-Interaktion und damit eine neue Strategie für die Abwehr von Fressfeinden im Pflanzenschutz. Die Studie beweist auch: In der Natur ist zum Überleben jedes Mittel recht. Die Evolution schuf einen großen Reichtum an Varianten, Strategien und Konzepten.  

Die Natur ist immer für Überraschungen gut. Vor allem, wenn es um das Überleben geht. Eine solche erlebten Forscher des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena, als sie sich mit einem Gift des Kojotentabaks (Nicotiana attenuata) und der Wirkung auf einen seiner ärgsten Fressfeinde befassten. Genauer, um eine Verbindung namens Lyciumosid IV (Lyc 4) und die gefräßigen Raupen des Tabakschwärmers (Manduca sexta). Um sich vor dem Gift zu schützen, greifen diese zu einem bisher unbekannten Trick, der alles, was bis heute über die Entgiftungsmechanismen auf diesem Gebiet bekannt war, ins Gegenteil verkehrt.

Die Arbeit der Jenaer Forscher ergänzt das Bild von Interaktionen von Pflanzen und Herbivoren um eine weitere Facette und stieß eine Tür zu neuen Strategien in der Schädlingsbekämpfung auf.

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Der Kojotentabak Nicotiana attenuata wurde von einigen Indianerstämmen als Rauchtabak verwendet und aus diesem Grund an Siedlungsstätten kultiviert. Historisch überliefert ist aber auch die Anwendung als Pflanzenmedizin.

Der Kojotentabak Nicotiana attenuata wurde von einigen Indianerstämmen als Rauchtabak verwendet und aus diesem Grund an Siedlungsstätten kultiviert. Historisch überliefert ist aber auch die Anwendung als Pflanzenmedizin.

Bildquelle: © Dcrjsr/ wikimedia.org; CC-BY 4.0

Wie Pflanzen sich vor Selbstvergiftung schützen

Um sich vor ihrem eigenen Gift zu schützen und den Transport der Wirkstoffe zur Verteidigung in andere Pflanzenteile zu ermöglichen, greifen Pflanzen häufig zum Zucker. Genau genommen zu einem oder mehreren Zuckermolekülen, die sie ihren eigenen Abwehrstoffen anheften (Glykosylierung). Fallen sie Horden von gefräßigen Schädlingen zum Opfer, nehmen diese die glykosylierten und somit noch ungefährlichen Pflanzengifte auf.

Wenn Enzyme zum Verhängnis werden

Wie bei Menschen macht sich im Verdauungstrakt der Pflanzenfresser eine Vielzahl von Verdauungsenzymen an die Arbeit, um die Nahrung aufzuspalten. Unter ihnen auch sogenannte Glycosidasen. Enzyme, die in der Lage sind, Glykosidbindungen aufzuspalten. Indem diese dem bis dahin noch ungefährlichen Pflanzengift die Zuckermoleküle entziehen, es „deglykosylieren“, machen sie das Gift wirksam. Sehr oft mit tödlichen Folgen für den Fresser. Ganz anders jedoch bei den Raupen des Tabakschwärmers. Bei Ihnen scheint das Wirkprinzip außer Kraft gesetzt zu sein.

Glycosidase mit gleicher Funktion und anderer Wirkung

„Dass Glycosidasen, die eine wichtige Rolle bei der Verdauung und Giftfreisetzung spielen, auch umgekehrt funktionieren und pflanzliche Abwehrstoffe unschädlich machen können, ist eine neue Facette im Wettstreit zwischen Pflanzen und Insekten“, fasst Sagar Pandit den überraschenden Befund zusammen. Er und seine Kollegen begannen zunächst damit, Proben aus dem Verdauungsapparat von Tabakschwärmerraupen zu untersuchen, die an Kojotentabakblättern geknabbert hatten. Statt dem deglykosylierten Lyciumosid IV fanden sie zu ihrem Erstaunen ein bis dahin unbekanntes Abbauprodukt des Pflanzengifts vor: RGHGL. Eine Variante, der nicht alle Zuckerteile fehlten, sondern nur ein einziges.

Lyciumosid IV wird somit nicht vollständig deglykosyliert. Die Besonderheit ist, dass die Verbindung selbst, nicht jedoch ihre deglykosylierte Form, giftig ist. Glycosidasen im Raupendarm spalten lediglich eine Zuckergruppe von der Lyciumosid IV-Verbindung ab und wandeln sie so in eine neue Verbindung um. Diese neue Substanz hat jedoch, anders als Lyciumosid IV, keine gesundheitsschädigende Wirkung auf die Raupen, was nahelegt, dass es sich um eine entgiftete Form von Lyciumosid IV handeln muss.

„Die Entdeckung dieses ungewöhnlichen Entgiftungsmechanismus verdanken wir in erster Linie einem Forschungsansatz, den man „reverse Genetik“ bezeichnet“, erklärt Pandit. Bei diesem Ansatz wird die Bedeutung von Merkmalen für ein Lebewesen erforscht, indem man die Gene, welche die Merkmale kodieren einfach ausschaltet und anschließend die Wirkung untersucht.

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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.

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.

Bildquelle: © Sagar Pandit, MPI chem. Ökol.

Pflanzenvermittelte RNA-Interferenz legt Raupengen lahm

Um das zugrunde liegende Gen (BG1) in der Raupen-DNA stillzulegen, welches die nötigen Informationen für die Glycosidasen kodiert, bedienten sich die Forscher einer noch recht jungen Methode: der pflanzenvermittelten RNA-Interferenz (RNAi). Sie schleusten dazu spezielle RNA-Bausteine, die die Glycosidasenproduktion in den Raupen auf genetischer Ebene unterbinden sollten, in die Kojotentabakpflanzen ein. Anschließend ließen sie die hungrigen Raupen auf die Pflanzen los.

Fraßen diese nun die Blätter nahmen sie neben dem Pflanzengift auch besagte RNA-Bausteine auf, woraufhin den Raupen nach kurzer Zeit die Glycosidasen ausgingen. Schlagartig zeigte das Gift auch bei den bis dahin resistenten Raupen eine Wirkung: Es begann mit ersten Problemen beim Häuten. Die Raupen hatten Schwierigkeiten sich aus der Hülle zu befreien, was binnen von 48 Stunden zum Tode führte.

Unvoreingenommen zu neuen Erkenntnissen

„Die daraus gewonnenen Ergebnisse ermöglichten es uns, den Mechanismus zu begreifen, der den bisherigen Erkenntnissen zur Rolle von Glycosidasen und zur Entgiftung pflanzlicher Abwehrstoffe widerspricht. Insofern trägt unser unvoreingenommener Forschungsansatz wesentlich dazu bei, die Komplexität der pflanzlichen Verteidigung und der Anpassung von Insekten besser zu verstehen“, fasst Pandit zusammen. Gleichzeitig führen besagte Ergebnissen zu neuen Fragen.

Warum machen sich die Raupen das Gift nicht selbst zunutze?

So fiel den Forschern z. B. auf, dass die Tabakschwärmerraupen im Laufe ihrer Evolution nie gelernt haben, für den Ernstfall vorzusorgen. Sprich das Lyciumosid IV das ihnen selbst keinen Schaden zuführen kann, in ihrem Körper zu speichern und anzureichern, um wiederum vor ihren Feinden geschützt zu sein.

Lyciumosid IV lässt Wolfsspinnen die Haare zu Berge stehen

In Freilandversuchen im Great-Basin Wüstenbecken des US-Bundesstaats Utah zeigte sich nämlich, dass Tabakschwärmerraupen, die mittels pflanzenvermittelter RNAi nicht mehr in der Lage waren, Lyciumosid IV zu entgiften, unattraktiver für deren Fressfeinde waren. In diesem Fall für die Wolfsspinnenart, Camptocosa parallela.

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Auch gegenüber dem Abwehrstoff Nikotin ist es den Raupen des Tabakschwärmers gelungen, sich zur Wehr zu setzen. Im Unterschied zu Lyciumosid IV bauen sie es jedoch nicht ab, sondern lagern es in ihrer Leibeshöhlenflüssigkeit (Hämolymphe) ein. Sehr zum Schrecken von Fressfeinden.

Auch gegenüber dem Abwehrstoff Nikotin ist es den Raupen des Tabakschwärmers gelungen, sich zur Wehr zu setzen. Im Unterschied zu Lyciumosid IV bauen sie es jedoch nicht ab, sondern lagern es in ihrer Leibeshöhlenflüssigkeit (Hämolymphe) ein. Sehr zum Schrecken von Fressfeinden.

Bildquelle: © Daniel Schwen/ wikimedia.org; CC BY-SA 4.0

Trotz dieses möglichen evolutionären Vorteils haben die Raupen scheinbar nie gelernt, das Gift, das ihnen selbst keinen Schaden zufügt, zu speichern. Wurden hingegen Raupen mit Lyciumosid IV getränkt und von den Spinnen erlegt, traten sie nach dem Kontakt mit den Raupen sichtlich gezeichnet und mit schweren motorischen Störungen den Rückzug an. Ein Hinweis, dass das Pflanzengift das zentrale Nervensystem der Spinnen angreifen könnte, so die Forscher.

Selbstschutz geht vor

Sie vermuten vorerst, dass den Tabakschwärmerraupen das eigene Wohlergehen und der Selbstschutz näher am Herzen liegen, als der Schutz vor möglichen Feinden. Wobei sie nicht ausschließen, dass verwandte Arten des Tabakaschwärmers in der Lage sein könnten, das Gift des Kojotentabaks für ihre eigenen Zwecke zu speichern. Die Natur offenbart immer wieder Überraschendes und bis dahin Unbekanntes. 

Neue Strategien in der Schädlingsbekämpfung

Dass den Tabakschwärmerraupen nun aber genau jene effektive Entgiftungsmaßnahme zum Verhängnis werden könnte, zeigen Überlegungen, mit den gewonnenen Erkenntnissen neue Schädlingsbekämpfungsstrategien zu entwickeln. Möglich wäre zum einen, die Glycosidasen gezielt als Stellschrauben bzw. Angriffspunkte zu nutzen, um die Raupen anfällig gegenüber dem pflanzlichen Gift zu machen. Zum anderen kann das Verfahren der pflanzenvermittelten RNA-Interferenz zur Insektenbekämpfung genutzt werden. Beide Wege, so die Forscher, stehen nun im Prinzip offen und müssten nun im Rahmen weiterer Forschungsarbeiten näher untersucht und auf ihre Effektivität und Anwendbarkeit geprüft werden.

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