Physiologie und Evolution eines Organs zur Kultivierung symbiotischer Bakterien: Die Antennendrüsen in der Unterfamilie Philanthinae (Hymenoptera: Crabronidae)
Final Report Abstract
Die Evolution von Symbiosen ist eine der interessantesten Aspekte der Evolutionsbiologie. Weibchen des Europäischen Bienenwolfes, Philanthus triangulum, einer solitären Grabwespe, jagen und lähmen Honigbienen, die sie in unterirdische Brutzellen bringen, wo sie als Nahrung für ihre Larven dienen. Zum Schutz der Brut vor Befall durch Mikroorganismen geben Weibchen vor der Fertigstellung der unterirdischen Brutzelle sichtbare Mengen eines Sekrets aus ihren Fühlern in die Brutzelle ab. Dieses Sekret hat zwei Funktionen: es gibt der Larve eine Richtungsinformation, die ein sicheres und einfaches Schlüpfen aus der Brutzelle tief im Boden ermöglicht und das Sekret enthält Bakterien, die die Larve aufnimmt und in ihren Kokon einspinnt. Auf dem Kokon produzieren diese Bakterien der Gattung Streptomyces verschiedene Antibiotika, die die Larve sehr effektiv vor Schimmel- und Bakterienbefall schützen. Die Bakterien werden in sehr komplexen Drüsen in den Antennen der Weibchen kultiviert und stellen wichtige Symbionten dar. Wir wollten den evolutionären Weg auf dem sich diese Symbiose entwickelt hat nachvollziehen und suchten nach möglichen evolutionären Zwischenstufen. Wir untersuchten die Antennen von Arten aus der gleichen Gattung sowie Vertreter nah verwandter Gattungen. Es zeigte sich, dass neben der Gattung Philanthus auch die sehr nah verwandten Gattungen Trachypus und Philanthinus über ähnlich komplexe Antennedrüsen verfügen wie P. triangulum. Vertreter der weniger nah verwandten Gattungen Cerceris und Clypeadon hingegen besaßen weder solch komplexe Drüsen noch mögliche Vorstufen. Damit konnte bisher keine mögliche Zwischenstufe nachgewiesen werden. Allerdings fanden sich in den Antennen von Männchen der Art P. capensis Drüsen, die bezüglich ihres Aufbaus und ihrer Lage Vorläufer der Drüsen der Weibchen sein könnten. Dies muss allerdings durch genauere Analysen untermauert werden. Zur weiteren Charakterisierung der Symbiose, die wichtige Hinweise auf die Evolution der Assoziation zwischen Bienenwölfen und ihren "Fühlerbakterien" liefern könnten, wurden das Wachstum der Bakterien nach dem Schlupf eines Weibchen und die jeweiligen Populationsschwankungen beim Erstellen einer Brutzelle analysiert. Es zeigte sich ein sehr schnelles Wachstum in den Fühlern, was auf eine sehr gute Versorgung der Bakterien durch die Bienenwolfweibchen schließen lässt. Außerdem kommt es bei der Ab- und Weitergabe der Bakterien and die Nachkommen jeweils zu erheblichen Einbrüchen der Bakterienpopulation. Die Versorgung der Bakterien in den Antennendrüsen umfasst vermutlich die Bereitstellung von Lipiden, Zuckern und Proteinen. Dies zeigte sich durch direkte Analyse des abgegebenen Sekretes (Zucker und Lipide), sowie die Ultrastruktur der Drüsenzelle, die das Reservoir umgeben (Proteine). Unsere Ergebnisse werfen neue Fragen bezüglich des evolutionären Weges dieser einzigartigen Symbiose zwischen Wespen und Bakterien auf, zeigen aber auch, dass es sich um eine sehr fein abgestimmte und effektive Assoziation zischen sehr ungleichen Partnern handelt, die aber beide in hohem Maße von dem zusammenleben profitieren.
Publications
- (2007) Morphology and ultrastructure of a bacteria cultivation organ: The antennal glands of female European beewolves, Philanthus triangulum (Hymenoptera, Crabronidae). Arthropod Structure & Development 36:1
Goettler W, Kaltenpoth M, Herzner G, Strohm E
- (2009) Hydrocarbons in the antennal gland secretion of female European beewolves, Philanthus triangulum (Hymenoptera, Crabronidae). Chemoecology 19:219-225
Kaltenpoth M, Schmitt T, Strohm E
- (2010) Life cycle and population dynamics of a protective insect symbiont reveal severe bottlenecks during vertical transmission. Evolutionary Ecology 24:463-477
Kaltenpoth M, Goettler W, Koehler S, Strohm E
- (2010) Symbiotic streptomycetes in antennal glands of the South American digger wasp genus Trachypus (Hymenoptera, Crabronidae). Physiological Entomology 35:196-200
Kaltenpoth M, Schmitt T, Polidori C, Koedam D, Strohm E
