Koevolution von Insekten und Pflanzen

Moderne Sequenzierungsmethoden zeigen: Das Wettrüsten zwischen Pflanzen und Insekten kurbelt die Biodiversität an. Anders als bisher vermutet tragen Genduplikationen sowohl bei Weißlingen als auch bei den Kohlgewächsen maßgeblich zur Anpassung an neue Bedingungen und zur Artenbildung bei.

Vor einem halben Jahrhundert prägten Paul Ehrlich und Peter Raven den Begriff der Koevolution. Ihre These besagte, dass das Zusammenspiel von Arten, die eine enge ökologische Beziehung zueinander haben, maßgeblich zur Biodiversität der Eukaryoten auf der Erde beigetragen hat. Ein anschauliches Beispiel für eine solche Koevolution ist das Wettrüsten von Kohlpflanzen (Brassica) und Schmetterlingslarven (Pieridae, Lepidoptera).

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Senfölbombe zur Abwehr

Vor etwa 90 Millionen Jahren hatten die Vorfahren der Kohlgewächse genug von den gefräßigen Schmetterlingslarven und entwickelten ein ausgeklügeltes Abwehrsystem: Ist die Pflanze gesund, bildet sie in räumlich getrennten Pflanzengeweben einerseits Senfölglykoside, andererseits bestimmte Enzyme, die Myrosinasen. Frisst eine Raupe am Pflanzengewebe, mischen sich beide Komponenten und aktivieren die sogenannte Senfölbombe. In den chemischen Reaktionen, die dann ablaufen, entstehen zahlreiche giftige Abbauprodukte, die die Raupen am weiterfressen hindern sollen.

Nicht für alle schädlich

Für den Menschen sind gerade diese Stoffe kulinarisch bedeutsam, denn sie sind dafür verantwortlich, dass Wasabi, Senf und Meerrettich (Armoracia rusticana)scharf schmecken. Bei den meisten Insekten wirkte die Strategie der Kohlgewächse. Doch etwa 10 Millionen Jahre später holten die Schmetterlinge zum Rückschlag aus. Sie entwickelten Mittel und Wege, wie sie den Giftcocktail der Kohlpflanzen unschädlich machen konnten. Zu diesen Spezialisten gehören bis heute die Weißlinge, die sich entsprechend angepasst haben. Sie entgiften die Senfölglykoside, indem sie die sonst giftigen Abbauprodukte zu reaktionsunfähigen Metaboliten umwandeln.

Selektionsdruck fördert Artenbildung

Immer wenn die Pflanzen ihre Abwehrmaschinerie aufrüsteten, zogen die Weißlinge nach und schafften es so, sich die Kohlgewächse als Nahrungsgrundlage zu sichern. Dieses Wettrüsten betreiben Kohlgewächse und Weißlinge bereits seit 80 Millionen Jahren, wie molekulare Einblicke in die Stammesgeschichten beider Arten offenbaren. Das gegenseitige Aufrüsten führte dazu, dass sich auf beiden Seiten zahlreiche neue Arten entwickelten – viel mehr als im gleichen Zeitraum bei Pflanzen und Insekten ohne Abwehrmechanismen durch Senfölglykoside.

Unnötiger Gen-Ballast wird entsorgt

Weißlinge wie der Kleine und der Große Kohlweißling sind heute weltweit verbreitet. Während die meisten Weißlinge an Kohlpflanzen fressen, gibt es verwandte Arten, welche die Vorliebe ihrer Vorfahren für Hülsenfrüchte beibehalten haben. Diese können bis heute die Senfölglykoside nicht entgiften. Auch sekundäre Wirtswechsel von Kohl auf andere Pflanzen haben bei einigen Vertretern des Schmetterlings stattgefunden; so gibt es Arten, die andere Wirtspflanzen als Nahrungsquelle für sich erschlossen haben, wie zum Beispiel Misteln. Untersuchungen der Wissenschaftler zeigten: Kohlweißlinge, die sich auf Misteln spezialisiert haben, haben sämtliche Gene, die zum Entschärfen der Senfölbombe nötig sind, verloren. Die Forscher schließen daraus, dass im Laufe der Evolution nicht mehr benötigte Gene entsorgt werden, selbst wenn es 80 Millionen Jahre für ihre Entstehung gebraucht hat.

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Wettrüsten durch Genkopien

Als die Wissenschaftler die Genome der Kohlgewächse und der Schmetterlinge sequenzierten, entdeckten sie, was hinter dem jahrmillionenlangen Wettrüsten steckt: Beide Seiten, Schmetterling wie auch Pflanze, haben bereits vorhandene Gene kopiert und in einem nächsten Schritt deren Funktion verändert, wobei das ursprüngliche Gen erhalten blieb. Mit diesen Modifikationen von Genkopien wurden die Kohlpflanzen wie auch der Schmetterling in die Lage versetzt, mit den Attacken des Gegenübers schrittzuhalten. Die Veränderung der Funktion von etwas bereits Vorhandenem scheint zielführender und damit effizienter zu sein, als die Entwicklung eines komplett neuen Gens und einer neuen Funktion.

Bisher hatte man vor allem zufällige Punktmutationen für solche Anpassungsfähigkeiten verantwortlich gemacht. Die Arbeit der Wissenschaftler verdeutlicht, dass evolutionärer Selektionsdruck ein wichtiger Faktor für die Entstehung und für die Verbreitung von Arten ist. Gäbe es diese gefräßigen Attacken nicht, wäre die Vielfalt auf der Erde, die Biodiversität, stark begrenzt. Bei den Kulturpflanzen kann dieses Wissen helfen, um gezielt einen Vorsprung vor den verfressenen Feinden zu schaffen. Denn anders als in der freien Natur, hat hier Ertragssicherung oberste Priorität.