image: The stimulation of different glomeruli (subunits in the antennal lobe) may result in a different behavioral output: Glomeruli represented in orange correlate with feeding, glomeruli represented in green with oviposition behavior. view more
Credit: Sonja Bisch-Knaden, MPI Chem. Ecol
Als nachtaktive Falter müssen sich Tabakschwärmer (Manduca sexta) auf ihren ausgeprägten Geruchssinn verlassen, der sie zu ihren Futterquellen führt: nektarhaltigen Blüten. Gestärkt von der Nahrungsaufnahme legen die Weibchen ihre Eier ab. Während die Nachtfalter in den duftenden Blüten verschiedener Pflanzen nahrhaften Nektar finden, gedeihen die Raupen der Tabakschwärmer jedoch nur auf Nachtschattengewächsen wie dem Tabak. Für die Eiablage verlassen sich die Weibchen ebenfalls auf den Geruchssinn.
Ein Team von Forschern der Abteilung Evolutionäre Neuroethologie um Sonja Bisch-Knaden hat jetzt untersucht, ob es bereits auf der ersten Duftverarbeitungsstufe im Gehirn der Insekten, dem sogenannten Antennallobus, erkennbare Muster gibt, die auf das Verhalten von weiblichen Faltern (Futtersuche oder Eiablage?) schließen lassen.
Duftspezifische Aktivitätsmuster im Riechhirn
Die Wissenschaftler haben die Reaktionen des Riechhirns lebender Nachtfalter auf 80 für die Tabakschwärmer wichtige pflanzliche Duftstoffe analysiert. Sie haben dafür die Konzentration von Kalzium-Ionen in den Nervenzellen gemessen und deren Aktivität als Reaktion auf unterschiedliche Düfte sichtbar gemacht.
Auf diese Weise wollten sie herausfinden, wie die sogenannten olfaktorischen Glomeruli auf die verschiedenen Düfte reagieren. Diese Glomeruli sind kugelförmige Gebilde im Antennallobus von Insekten und gelten als primäre Untereinheiten des Riechhirns. Wird die Antenne eines Falters durch verschiedene Düfte gereizt, werden jeweils unterschiedliche Glomeruli aktiv. Diese duftspezifischen Aktivitätsmuster sind bei allen Faltern derselben Art sehr ähnlich. Mit Hilfe von diagnostischen Düften, mit denen wir jedes einzelne Insekt reizten, erstellten wir zunächst eine funktionelle Landkarte des Antennallobus. So konnten wir zwei Drittel der sichtbaren olfaktorischen Glomeruli in jedem Tier identifizieren und danach deren Reaktion auf ein großes Set von Düften untersuchen, erläutert Studienleiterin Sonja Bisch-Knaden.
Experimente im Windkanal verknüpfen Düfte mit Verhalten
Die Forscher testeten anschließend die 80 Düfte in Verhaltensexperimenten mit Tabakschwärmerweibchen im Windkanal. Die Tiere werden dabei von Düften auf Filterpapier angezogen und versuchen je nach Duft, an dem Filterpapier zu trinken oder darauf Eier abzulegen. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler die Aktivität im Riechhirn, die von einzelnen Düften ausgelöst wurde, mit dem Verhalten, das diese Düfte bewirken, vergleichen. Dabei beobachteten sie Erstaunliches: Wir hatten nicht erwartet, dass einzelne chemische Komponenten genauso attraktiv für futtersuchende Falter sein können wie ein komplexes Blütenbouquet. Da wir hungrige jungfräuliche Weibchen mit bedufteten weißen Filterpapieren testeten, rechneten wir außerdem nur mit Futtersuchverhalten. Wir waren daher erstaunt, dass die Tiere bei einigen wenigen Düften Eier an das Filterpapier legten, auch wenn diese natürlich unbefruchtet waren, fasst Sonja Bisch-Knaden die Beobachtungen zusammen.
Vergleicht man das Verhalten, also Futtersuche oder Eiablage, mit den Aktivitätsmustern im Riechhirn der Tabakschwärmer, fällt auf, dass die Aktivität bestimmter Glomeruli mit jeweils einer der beiden Verhaltensweisen übereinstimmt. Von der Aktivität dieser Glomeruli hängt es ab, ob ein weiblicher Falter seinen Rüssel zur Nahrungsaufnahme ausrollt, oder mit den Beinen auf dem Filterpapier Halt sucht und den Hinterleib nach vorne biegt um Eier an das Papier zu kleben. Das Aktivierungsniveau einzelner Glomeruli ist ausschlaggebend für das Verhalten der Tabakschwärmerweibchen. Offensichtlich wird bei der Verarbeitung von Düften im Insektengehirn schon auf einer sehr frühen Ebene entschieden, welches Verhalten dieser Duft auslösen wird, erläutert Mitautor Bill S. Hansson.
Die Bedeutung von Umgebungsdüften für das Überleben der Motten in der Natur
In ihrem natürlichen Lebensraum in weiten Teilen Nord- und Südamerikas nutzen Tabakschwärmer eine Vielzahl an Blüten als Nektarquelle. Die typischen Falterblüten sind hell und haben in der Regel einen starken Duft, sodass sie für hungrige Insekten in der Dämmerung oder Dunkelheit leicht auffindbar sind. Der Nachwuchs überlebt hingegen nur auf wenigen Pflanzenarten, wie beispielsweise Tabak. Daher ist die Entscheidung für den richtigen Eiablageplatz überlebenswichtig für die Raupen, die aus den Eiern schlüpfen werden. Der Duft der Wirtspflanze gibt dafür den entscheidenden Hinweis.
Da es in diesem Lebensraum andere verwandte Nachtfalterarten gibt, die die gleichen Nahrungsquellen, jedoch andere Wirtspflanzen für die Eiablage nutzen, möchten die Forscher nun untersuchen, ob auch bei diesen Faltern Düfte, die auf geeignete Eiablageplätze hinweisen, in ähnlichen Bereichen des Riechhirns Aktivitätsmuster auslösen oder ob die funktionale Landkarte im Gehirn bei jeder Art anders ist.
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Originalveröffentlichung:
Bisch-Knaden, S., Dahake, A., Sachse, S., Knaden, M., Hansson, B. S. (2018). Spatial representation of feeding and oviposition odors in the brain of a hawkmoth. Cell Reports 22, 2482-2492, DOI 10.1016/j.celrep.2018.01.082
https://doi.org/10.1016/j.celrep.2018.01.082
Weitere Informationen:
Dr. Sonja Bisch-Knaden, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Straße 8, 07745 Jena, Tel. +49 3641 57-1444, E-Mail sbisch-knaden@ice.mpg.de
Kontak und Medienanfragen:
Angela Overmeyer M.A., Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Straße 8, 07745 Jena, Tel. +49 3641 57-2110, E-Mail overmeyer@ice.mpg.de
Journal
Cell Reports