Bakterieller Untermieter macht Blattnahrung für Käfer verdaulich


Bakterieller Untermieter macht Blattnahrung für Käfer verdaulich

Schildkäfer benötigen ein symbiotisches Bakterium für den Abbau
pflanzlicher Zellwände

Ein internationales Team unter Beteiligung von Forschern der Johannes
Gutenberg-Universität Mainz (JGU) hat ein Bakterium in einer
Blattkäferart beschrieben,
das dem Käfer Enzyme zur Verfügung stellt, mit denen die Insekten
bestimmte Bestandteile der pflanzlichen Zellwand verdauen können. Das
Bakterium weist
das kleinste Erbgut aller bislang untersuchten Organismen auf, die
außerhalb einer Wirtszelle leben. Das Genom enthält Gene, die für die
Bildung von Pektinasen
zuständig sind: Enzyme, die das Pektin, ein wesentliches Bauelement der
Zellwand, aufbrechen. Die Produktion der Pektinasen ist somit die
Hauptaufgabe
dieser Bakterien. Ohne die symbiotischen Mikroben könnten die Käfer
nicht an die Nährstoffe innerhalb der pflanzlichen Zellen gelangen und
somit wohl nicht
von Blattnahrung leben.

„Der Ausgangspunkt unserer Studie waren histologische Beschreibungen und
Zeichnungen der symbiotischen Organe von Schildkäfern, die der deutsche
Zoologe
Hans-Jürgen Stammer vor mehr als 80 Jahren anfertigte. Dieser
außergewöhnlichen Partnerschaft zwischen Käfer und Bakterium, die
Stammer als Besonderheit
beschrieb, wollten wir mit modernen molekularbiologischen
Untersuchungsmethoden auf den Grund gehen“, erklärt Hassan Salem, der
Erstautor der Publikation,
der am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie promovierte und
derzeit mit einem Feodor-Lynen-Stipendium der Alexander von
Humboldt-Stiftung an der
US-amerikanischen Emory University in Altlanta, Georgia, forscht.

Hans-Jürgen Stammer (1899-1968) erforschte bereits in den 20er und 30er
Jahren des 20. Jahrhunderts Symbiosen zwischen Insekten und Bakterien.
Er musste
jedoch feststellen, dass symbiotische Bakterien in der Familie der
Blattkäfer (Chrysomelidae) kaum zu finden sind. Allerdings fand er bei
seinen Untersuchungen
auch einige Ausnahmen, darunter Arten aus der Unterfamilie der
Schildkäfer, wie den Distelschildkäfer (Cassida rubiginosa). Diese
Schildkäferarten sind,
wie er in einer Studie 1936 beschrieb, mit ungewöhnlichen Organen
ausgestattet. Die Symbiose-Bakterien wohnen in sackartigen Ausstülpungen
am Darm der
Käfer. Sie werden von weiblichen Käfern über Vaginalschläuche auf die
Nachkommen übertragen, indem jedes Käfer-Ei mit einer kleinen
Symbiontenhaube versehen
wird. Wenn die Larve aus dem Ei schlüpft, frisst sie sich durch die
Eischale und verschlingt das Häubchen, das die symbiotischen Bakterien
enthält.

Blattkäfer können Bestandteile der pflanzlichen Zellwand wie Zellulose
und Pektin mit Hilfe von Verdauungsenzymen abbauen. Allerdings zeigten
genetische
Untersuchungen, dass der Distelschildkäfer selbst keine Gene besitzt,
die den Bauplan für entsprechende Pektinase-Enzyme enthalten. Die neue
Studie zeigt
nun, dass dieses Defizit durch die enge Symbiose mit dem Bakterium
ausgeglichen wird. Um die Bedeutung der bakteriellen Symbionten für den
Käfer zu verstehen,
führten die Forscher eine Reihe von Untersuchungen durch, die sie mit
Messungen der Enzymaktivität kombinierten. „Als wir die Enzymaktivität
in Distelschildkäfern
mit und ohne Symbiose-Bakterien verglichen, stellten wir fest, dass
Distelschildkäfer ohne Symbionten kein Pektin mehr abbauen konnten, um
an die Nährstoffe
in den pflanzlichen Zellen zu gelangen. Diese Käfer hatten deutlich
geringere Überlebenschancen“, sagt Roy Kirsch vom Max-Planck-Institut
für chemische
Ökologie.

Die genetische Untersuchung des Symbiose-Bakteriums, das die Forscher in
Erinnerung an Stammers Aufzeichnungen in der aktuellen Studie als
„Candidatus Stammera
capleta“ vorstellen, erbrachte eine weitere Überraschung. Das Erbgut des
Winzlings ist auf wenige hundert Gene reduziert, unter denen einige aber
die Produktion
und den Transport von Pektinasen regulieren. Entsprechend klein ist das
Genom: Mit lediglich etwa 270.000 Basenpaaren hat das Bakterium das
kleinste jemals
beschriebene Genom eines Organismus, der außerhalb einer Wirtszelle
existiert. Zum Vergleich: Das Darmbakterium Escherichia coli, das im
Darm vieler Tiere
einschließlich des Menschen anzutreffen ist, hat beispielsweise
4.600.000 Basenpaare, ist also 17-mal so groß. Ein noch kleineres Genom
als das des Käfer-Symbionten
wurde bislang nur in Bakterien gefunden, die innerhalb von Zellen ihrer
Wirte leben.

Die Symbiose zwischen Käfer und Bakterium erstaunt durch eine sehr klare
Arbeitsteilung. „Der Käfer besitzt die Gene, die für die Bildung von
Enzymen verantwortlich
sind, die Zellulose verdauen, während der Symbiont Pektinasen zur
Verfügung stellt. Zusammen haben sie alle notwendigen Enzyme, um die
pflanzliche Zellwand
abbauen zu können. Besonders an dieser Symbiose ist, dass wir erstmals
ein spezialisiertes symbiotisches Bakterium beschreiben konnten, dessen
primäre
oder sogar einzige Aufgabe die Herstellung von Pektin abbauenden Enzymen
ist“, fasst Hassan Salem zusammen.

Dass es heute viele pflanzenfressende Tiere gibt, ist eine Folge von
Anpassungen, die sich im Laufe der Evolution herausgebildet haben. An
vielen dieser
Anpassungen sind tatsächlich Mikroorganismen maßgeblich beteiligt. Die
Distelschildkäfer sind dafür ein beeindruckendes Beispiel. Ohne
Pektinasen kommen
sie nicht an die Nährstoffe in den Pflanzenzellen. Die Herstellung
dieser Enzyme haben sie allerdings vollständig an einen Dienstleister
ausgelagert: ein
Bakterium, das in speziellen Organen am Darm haust.

In vielen Blattkäferarten sind die Gene, die für die Bildung von
Verdauungsenzymen für den Abbau pflanzlicher Zellwandbestandteile
verantwortlich sind,
ursprünglich über einen horizontalen Gentransfer von Pilzen und
Bakterien in das Erbgut der Vorfahren dieser Insekten gelangt. „Es ist
wirklich faszinierend,
wie unterschiedlich Insekten das Problem gelöst haben, die Zellwand
einer Pflanze aufzubrechen. Warum sich manche Insekten dafür Gene aus
Mikroorganismen
angeeignet haben, während andere die Aufgabe Symbionten überlassen, ist
eine spannende Frage für zukünftige Untersuchungen“, sagt Martin
Kaltenpoth von
der Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

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