Sequestration of phytochemicals by leaf beetles: Selective transport proteins and their influence on diversification processes in plant-herbivore interactions
Ecology and Biodiversity of Animals and Ecosystems, Organismic Interactions
Final Report Abstract
Bei Insekten stellt die Sequestrierung eine der am weitesten verbreiteten Strategien zur Überwindung der chemischen Abwehr der Pflanzen dar. Dabei werden die für Insekten normalerweise abschreckend oder sogar toxisch wirkende Pflanzeninhaltsstoffe in den Insektenkörper eingeschleust, wenn nötig, metabolisch verändert und schließlich akkumuliert. Oftmals werden die sequestrierten Verbindungen zum eigenen Vorteil in einem Lebensraum genutzt, so dass es sich nicht nur um eine bloße Entgiftung handelt, sondern vielmehr um die gezielte Anreicherung von Giftvorstufen, die die Tiere direkt aus der Nahrung beziehen, um sich dann „ökonomisch“ wiederum gegen ihre eigenen Feinde zur Wehr setzen zu können. Die Larven des Blattkäfer-(Chrysomelidae)-Subtribus Chrysomelina, zum Beispiel, entwickelten sogar spezielle Wehrdrüsen, in denen pflanzliche Naturstoffe in Sekreten angereichert werden. Während der Synthese körpereigener Intermediate und der Sequestrierung exogener Verbindungen werden verschiedene Membranbarrieren verschiedener Selektivität im Insektenkörper der Chrysomelina passiert. Es existieren Barrieren, die (i) die nicht-selektiven Aufnahme von Glucosiden vom Darmlumen in die Hämolymphe und die nicht-selektive Ausscheidung von Malpighischen Gefäßen (wahrscheinlich mit Hilfe von ABC-Transportern) vermitteln, Barrieren, die (ii) die selektive Aufnahme von der Hämolymphe in die sekretorischen Zellen steuern (wahrscheinlich mit Hilfe Gradienten-getriebenen Zuckertransportern der Solute carrier family 2, SLC2)), und Barrieren, die (iii) die nicht-selektive, ATP getriebene Translokation vorgefilterter Metaboliten aus dem Inneren des sekretorischen Zelle in das Drüsenreservoir vermitteln. Hinsichtlich der Anpassungsfähigkeit der Synthese der Wehrsubstanzen trägt das vorliegende Projekt zu einem ganzheitlichen Verständnis dergestalt bei, dass durch eine Kombination von nicht-selektiven und selektiven Transportprozesse sowie nicht-selektiven und selektiven enzymatischen Reaktionen eine flexible Synthesestrategie evolviert wurde, die eine wirtspflanzenabhängig chemische Verteidigung ermöglicht, aber auch einen Wirtspflanzenwechsel innerhalb des Chrysomelina-Subtribus zulässt. Aus Sicht der Ökologie decken Energieabhängigkeit und Selektivität in der Wehrsekretproduktion Parameter auf, die zum Beispiel Kosten, physiologische Effizienz oder life-history strategies regulieren, die wiederum eine langfristige Beziehung zwischen Pflanzen und herbivoren Insekten beeinflussen. Da chemische Verteidigung ein weit verbreitetes Phänomen bei Insekten ist, kann das Taxon Chrysomelina als Modellsystem dienen und künftige Forschungsvorhaben in diesem Bereich der chemischen Ökologie inspirieren.
Publications
- (2014) Tissue-specific transcript profiling for ABC transporters in the sequestering larvae of the phytophagous leaf beetle Chrysomela populi. PLoS ONE 9(6): e98637
Strauß, A.S., Wang, D., Stock, M., Gretscher, R.R., Groth, M., Boland, W. and Burse, A.
(See online at https://doi.org/10.1371/journal.pone.0098637) - (2019) Tissue-specific profiling of membrane proteins in the salicin sequestering juveniles of the herbivorous leaf beetle, Chrysomela populi. Insect Biochem Mol Biol: 109:81- 91
Schmidt L, Wielsch N, Wang D, Boland W, Burse A
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ibmb.2019.03.009)
