Symbiotische Bakterien schützen Larven der Wollkäfer vor Krankheitserregern

Wollkäfer haben zum Schutz ihrer Nachkommen ungewöhnliche Körpermerkmale ausgebildet: Auf dem Rücken der Larven befinden sich kleine Einstülpungen, die von Bakterien besiedelt sind. Wie eine neue Studie zeigt, schützen die symbiotischen Bakterien die Käfer während ihrer Entwicklung und auch während der empfindlichen Phase der Häutungen gegen pathogene Pilze. "Die Wollkäfer haben einen Weg gefunden, um schädliche Pilzinfektionen zu verhindern und das Überleben ihrer Nachkommen zu sichern", teilt Rebekka Janke von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) dazu mit. Sie hat im Rahmen ihres Promotionsprojekts unter der Leitung von Dr. Laura Flórez, die mittlerweile als Wissenschaftlerin an der Universität Kopenhagen arbeitet, und Prof. Dr. Martin Kaltenpoth, Direktor am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, das Zusammenspiel von Symbionten und Käfern untersucht. An den Forschungsarbeiten waren außerdem Kooperationspartner in Jena und Brasilien beteiligt.

Burkholderia gladioli besiedelt die Taschen auf dem Rücken der Wollkäfer

Für wirbellose Tiere wie Käfer ist die Kutikula, also der harte Chitinpanzer mit einer dünnen, wasserabweisenden Deckschicht, die erste und wichtigste Barriere gegen Räuber und Krankheitserreger. Sie kann aber auch eine Heimat für mikrobielle Symbionten sein. Bei Käfern der Gattung Lagria wurde bereits Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckt, dass Larven von Lagria hirta drei kleine Taschen auf ihrem Rücken aufweisen, die mit Bakterien gefüllt sind. Fast 100 Jahre später konnten Prof. Dr. Martin Kaltenpoth und Dr. Laura Flórez zeigen, dass Weibchen der Art Lagria villosa während der Eiablage die symbiotischen Bakterien auspressen, um ihre Eier auf dem feuchten Boden gegen Pilzinfektionen zu schützen. Eier ohne Abwehrhilfe durch das Bakterium Burkholderia gladioli wurden dagegen von Schimmelpilzen überwuchert.

In seiner neuen Arbeit zeigt das Forschungsteam, dass die bakteriellen Symbionten von Lagria villosa während der gesamten Entwicklung der Larven die Einstülpungen auf dem Rücken der Insekten bewohnen und diese kleinen Taschen nach außen hin immer über einen schmalen Kanal geöffnet bleiben. Außerdem werden die Taschen bei der Häutung der Larven nicht abgestoßen, sondern bleiben während der gesamten Larvenentwicklung erhalten. "Während der Häutung wird aber ein Teil der Symbionten auf die Oberfläche der Larven abgegeben. So sind die Larven auch in dieser kritischen Phase gegen Infektionen durch Pilze geschützt", so Kaltenpoth.

Bei Lagria villosa handelt es sich um Wollkäfer, die ursprünglich in Afrika beheimateten waren und sich seit den 1970er-Jahren in Südamerika stark ausbreiten. Sie gehen durch sieben Larvenstadien mit den entsprechenden Häutungen, bevor sie sich verpuppen und dann als ausgewachsenes Insekt aus der Puppe schlüpfen.

Burkholderia-Stamm Lv-StB und antifungale Verbindung Lagriamid nachgewiesen

Für weitere Untersuchungen sammelte Rebekka Janke Proben aus allen Lebensstadien der Käfer von Feldern in Brasilien, um sie mit ihren Forscherkolleginnen und -kollegen einer eingehenden Analyse zu unterziehen. Dies ergab, dass ein Symbiontenstamm von Burkholderia gladioli mit der Bezeichnung Lv-StB, der bereits für den Schutz im Eistadium maßgeblich ist, auch die Abwehr in den folgenden Lebensstadien hauptsächlich übernimmt. Der Burkholderia-Stamm erzeugt eine antifungale Verbindung, Lagriamid genannt, die ebenfalls in allen Stadien zu finden ist, also auf der Oberfläche von Eiern, Larven, Puppen und auch auf der Innenseite der gehäuteten Hüllen. Die Symbionten, so ergab eine andere Untersuchung, waren außerdem während der Larvenstadien und der Verpuppung in beiden Geschlechtern, männlich sowie weiblich, präsent.

"Wenn wir die bakteriellen Helfer entfernen, beeinträchtigt dies die Überlebenswahrscheinlichkeit der jungen Larven erheblich, sobald sie verschiedenen pathogenen Pilzen ausgesetzt sind", erklärt Dr. Laura Flórez. Obwohl die Häutung im Allgemeinen dazu dienen kann, schädliche Eindringlinge aus der Kutikula des Insekts zu entfernen, ist das Insekt in dieser Zeit eben auch seiner Schutzschicht beraubt und anfälliger für Infektionen. "Die Wollkäfer", so Flórez, "haben einen Weg gefunden, das Problem zu umgehen, indem sie auf ihrem Rücken die Schutzhüllen in Taschen anlegen, die auch bei wiederholten Häutungen bestehen bleiben."

Rebekka Janke hat an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz Biologie studiert und ist seit Oktober 2017 Doktorandin in der Abteilung Evolutionäre Ökologie am Institut für Organismische und Molekulare Evolutionsbiologie. Laura Flórez war von 2016 bis 2021 als wissenschaftliche Mitarbeiterin in derselben Abteilung tätig und forscht seit 2021 an der Universität Kopenhagen. Martin Kaltenpoth war von 2015 bis 2021 Professor für Evolutionäre Ökologie an der JGU. Im Februar 2021 wechselte er als Direktor ans Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena und baute die neue Abteilung Insektensymbiose auf. Die Forschungsarbeiten zur mikrobiellen Ökologie von Wollkäfern wurden durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft und durch einen ERC Consolidator Grant unterstützt.

 

Veröffentlichungen:
R. S. Janke et al., Bacterial ectosymbionts in cuticular organs chemically protect a beetle during molting stages, ISME Journal, 2. September 2022,
DOI: 10.1038/s41396-022-01311-x
https://www.nature.com/articles/s41396-022-01311-x

R. S. Janke et al., Morphological adaptation for ectosymbiont maintenance and transmission during metamorphosis in Lagria beetles, Frontiers in Physiology, 30. August 2022,
DOI: 10.3389/fphys.2022.979200
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphys.2022.979200/full 

 

Weiterführende Links:
https://evo.oeko.uni-mainz.de/ - Abteilung Evolutionäre Ökologie amInstitut für Organismische und Molekulare Evolutionsbiologie (IOME) der Johannes Gutenberg-Universität Mainz ;
https://www.ice.mpg.de/97119/insect-symbiosis - Abteilung Insektensymbiose am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

 

Lesen Sie mehr:
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https://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/7239_DEU_HTML.php - Pressemitteilung "ERC Consolidator Grant für Martin Kaltenpoth für Erforschung der Beziehung zwischen Käfern und ihren Symbionten" (10.12.2018) ;
http://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/5705_DEU_HTML.php - Pressemitteilung "Chemische Waffe durch laterale Gen-Übertragung schützt Wollkäfer gegen schädliche Pilze" (18.07.2018) ;
http://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/4088_DEU_HTML.php - Pressemitteilung "Bienenwölfe nutzen seit 68 Millionen Jahren erfolgreich die gleichen Antibiotika" (15.02.2018) ;
http://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/3386_DEU_HTML.php - Pressemitteilung "Bakterien machen Blattnahrung für Käfer verdaulich" (17.11.2017) ;
https://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/1628_DEU_HTML.php - Pressemitteilung "Kooperation von Totengräber-Käfern und ihren mikrobiellen Symbionten bei der Kadaververwertung" (19.05.2017) ;
http://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/1375_DEU_HTML.php - Pressemitteilung "Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers" (28.04.2017)

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