Suchen

Pflanzenduftstoffe und ihre Wirkung auf Insekten Wenn die natürliche Schädlingsabwehr nach hinten losgeht…

| Redakteur: Christian Lüttmann

Manche Pflanzen haben eine chemische Abwehr gegen Fraßfeinde entwickelt. Doch die Kohlmotte hebelt diese Strategie aus: Statt die pflanzeneigenen Abwehrstoffe zu meiden, nutzt sie diese als Signal und lässt sich direkt zur Pflanze führen, um dort ihre Eier zu legen. Forscher haben nun entschlüsselt, wie die Motte den Abwehrstoff registriert. Das könnte helfen, tatsächlich funktionierende Maßnahmen gegen den Schädling zu entwickeln.

Firmen zum Thema

Die Kohlmotte Plutella xylostella ist ein weltweit verbreiteter Schädling.
Die Kohlmotte Plutella xylostella ist ein weltweit verbreiteter Schädling.
(Bild: Benjamin Fabian, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie)

Jena, Nanjing/China – Pflanzen stehen in ständigem Wettrüsten mit ihren Fraßfeinden. Um sich gegen gefräßige Insekten zur Wehr zu setzen, bilden Kreuzblütengewächse wie Kohl, Raps, Senf und Meerrettich extra giftige Isothiocyanate: Wenn ein Schädling das Pflanzengewebe verletzt, werden Senfölglycoside aus dem Gewebe durch ein pflanzeneigenes Enzym so gespalten, dass eine Reihe von Giftstoffen gebildet werden. Hauptsächlich entstehen dabei so genannte Isothiocyanate, mit denen Pflanzen ihre Fraßfeinde abschrecken.

Dieser Abwehrmechanismus funktioniert bei den meisten Pflanzenfressern auch sehr gut. Die Kohlmotte Plutella xylostella hat allerdings im Laufe der Evolution Mechanismen entwickelt, diese Abwehr außer Kraft zu setzen und Pflanzen der Kohlfamilie erfolgreich zu befallen. Diese Entwicklung hat nun ein Forscherteam der Landwirtschaftlichen Universität in Nanjing (NJAU), China, und des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie (MPI-CE) in Jena untersucht. „Wir wollten wissen, ob die Falter Isothiocyanate als Dufthinweise nutzen, um ihre Wirtspflanzen zu finden. Tatsächlich konnten wir in Verhaltensexperimenten mit weiblichen Faltern zeigen, dass drei Isothiocynate Schlüsselsignale für die Eiablage darstellen,“ sagt Studienleiter Shuang-Lin Dong von der NJAU.

Gleich zwei Rezeptoren für vermeintlichen Abwehrstoff

Die Wissenschaftler wollten herausfinden, welche molekularen Mechanismen hinter der Wahl des Eiablageplatzes durch die Kohlmottenweibchen stecken. „ Es zeigte sich, dass zwei Rezeptoren, OR35 und OR49, auf die drei Isothiocyanate reagierten, die wir zuvor als entscheidend für die Eiablage identifiziert hatten“, erklärt der Markus Knaden aus der Abteilung Evolutionäre Neuroethologie des MPI in Jena.

Diese beiden Rezeptoren reagierten auf keine anderen Pflanzenduftstoffe oder die Sexuallockstoffe der Falter. Vermutlich haben sie sich zielgerichtet entwickelt, um genau die Isothiocyanate als Eiablage-Signale aufzuspüren. „Warum es gleich zwei Rezeptoren sind, hat uns überrascht. Die Rezeptoren spüren allerdings die Isothiocyanate unterschiedlich empfindlich auf. Der empfindlichere Rezeptor könnte daher dafür sorgen, dass weibliche Falter Pflanzen schon von weitem lokalisieren können, während der andere Rezeptor dabei hilft, höhere Konzentrationen der Substanzen auf der Pflanze zu entdecken. So erhält das Kohlmottenweibchen mehr Informationen über das Substrat, auf das es seine Eier ablegen wird,“ meint Studienleiter Dong.

Motten hebeln Abwehrstrategie aus

Im Laufe der Evolution haben Pflanzen vielfältige Strategien entwickelt, um sich gegen Pflanzenfresser zu verteidigen. Hierzu gehört auch die chemische Kommunikation. „Meistens ist es für eine Pflanze von Nutzen, wenn sie möglichen Fraßfeinden signalisieren kann, dass sie ihr Verteidigungssystem aktiviert hat. Allerdings gibt es immer jemanden, der diese Kommunikation für seine eigenen Zwecke missbraucht, wie etwa die Kohlmotte, die ein Verteidigungssignal nutzt, um sich auf dieser Pflanze zu vermehren,“ sagt MPI-Forscher Knaden.

Herauszufinden, wie diese „Mogler“ die Abwehr der Pflanze austricksen und sogar für ihren eigenen Vorteil nutzen, könnte dazu beitragen, die Bekämpfung weltweiter Ernteschädlinge, wie der Kohlmotte, zu verbessern: „Unsere Ergebnisse bieten verschiedene Ansätze, diesen Schädling zu kontrollieren: Einerseits könnten wir die identifizierten Isothiocyanate oder ähnlich attraktive Substanzen als Lockstoffe nutzen. Andererseits könnten wir versuchen, durch andere Substanzen die Wahrnehmung der Isothiocyanate so zu manipulieren, dass die Falter ihre Wirtspflanzen nicht mehr finden können,“ fasst Dong zusammen.

Eiablage-Experiment mit Knockout-Modellen

In Eiablage-Experimenten testeten die Forscher das Wechselspiel zwischen Duftstoff und den Motten. Dabei nutzten sie die Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana, eine Modellpflanze, die auch zu den Kreuzblütengewächsen gehört. Eine Gruppe dieser Pflanzen war unverändert und produzierte Isothiocyanate, während eine andere Gruppe aus Mutanten bestand, die nicht in der Lage waren, die für die Falter attraktiven Substanzen zu bilden.

Bei den Faltern in dem Modellexperiment gab es ebenfalls mehrere Gruppen: Bei einigen der Insekten hatten die Forscher mithilfe CRISPR-Cas9-Genschere jene Gene ausgeschaltet, die für die Isothiocyanat-Rezeptoren kodieren. War einer der beiden Geruchsrezeptoren der Motten inaktiviert, legten sie deutlich weniger Eier auf die normalerweise bevorzugten, nach Isothiocyanaten duftenden Pflanzen. Waren jedoch beiden Rezeptoren ausgeschaltet, dann war es den Motten unmöglich, zwischen unveränderten Pflanzen und den Mutanten zu unterscheiden. Dies zeigt, dass die Rezeptoren entscheiden für das Erkennen der Pflanzenduftstoffe sind.

Weitere Untersuchungen sind geplant, um zu überprüfen, ob auch andere Schädlinge als die Kohlmotte spezielle Rezeptoren nutzen, um Isothiocyanate aufzuspüren und ihre Eier auf den Pflanzen abzulegen. Die Ergebnisse werden darüber Aufschluss geben, wie weit die spezialisierte Wahrnehmung dieser Gerüche auch in anderen Arten erhalten ist.

Originalpublikation: Liu, X.-L., Zhang, J., Yan, Q., Miao, C.-L., Han, W.-K., Hou, W., Yang, K., Hansson, B- S., Peng, Y.-C., Guo, J.-M., Xu, H., Wang, C.-Z., Dong, S.-L., Knaden, M.: The molecular basis of host selection in a crucifer-specialized moth, Current Biology, DOI: 10.1016/j.cub.2020.08.047

(ID:46854438)