Giftiger Atem hält Spinnen fern
Tabakschwärmerraupen atmen winzige Mengen von Nikotin aus und halten sich damit räuberische Wolfsspinnen vom Leib
Raupen nutzen unterschiedliche Strategien, um sich vor Feinden zu schützen: Viele Raupenarten tarnen sich oder warnen durch grellen Farben, andere haben Brennhaare oder sondern giftige Substanzen ab. Manche richten sich sogar zu Drohgebärden auf. Einem bislang völlig unbekannten Schutzmechanismus sind Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena auf die Spur gekommen: Tabakschwärmerraupen leiten einen winzigen Teil des mit der Nahrung aufgenommenen, hochgiftigen Nikotins in ihre in ihre Körperflüssigkeit und von dort aus in das Atmungssystem. So atmen sie das Nikotin wieder aus und schrecken dadurch Feinde ab. Die Erkenntnisse wurden durch die Verbindung molekularbiologischer Methoden und genauer Beobachtung von Organismen in ihrem natürlichen Lebensraum möglich.
Koyotentabakpflanzen Nicotiana attenuata in ihrem natürlichen Lebensraum, der Great Basin Desert im US-amerikanischen Bundesstaat Utah. Im Vordergrund ist die Interaktion zwischen der Tabakschwärmerraupe Manduca sexta und der räuberischen Wolfsspinne Camptocosa parallela grafisch dargestellt. Das über das Tracheensystem ausgeatmete giftige Nicotin schreckt die Spinne ab.
Danny Kessler; Grafiken: Pavan Kumar und Sagar Pandit, MPI Chem. Ökol.
Pavan Kumar, MPI chem. Ökol.
Die Bedeutung des Ökosystems für die Erforschung von Genfunktionen
Das Verständnis einzelner Genfunktionen ist ein zentrales Ziel der biologischen Forschung. Schließlich funktionieren Gene auf der Ebene des ganzen Organismus, wo ihr Einfluss auf dessen Darwinian Fitness darüber entscheidet, ob ein Gen im Laufe der Evolution erhalten bleibt, verändert wird oder aus dem Genom verschwindet. Die Methode des Gene Silencing wird erfolgreich in der Forschung angewandt, um die Funktion einzelner Gene zu überprüfen und ihre Bedeutung für das Überleben eines Organismus zu bestimmen. Um aber neben ihrer biochemischen und physiologischen Funktion, die im Labor gut untersucht werden kann, auch die ökologische Rolle einzelner Gene zu bestimmen, ist es unerlässlich, Organismen in ihrem natürlichen Lebensraum zu untersuchen. Die Wissenschaftler um Ian Baldwin aus der Abteilung Molekulare Ökologie sind Pioniere dieses Forschungsansatzes, den sie „Frag das Ökosystem“ nennen. „Die Natur ist nach wie vor unser wichtigster Lehrmeister“, betont Ian Baldwin. „Hier entscheidet sich, wer überlebt. Nur in der Natur mit allen ihren Unabwägbarkeiten können die Funktionen einzelner Gene überhaupt erkannt werden.“
Für ihre Freilandexperimente verwendeten die Wissenschaftler Tabakpflanzen, die kein Nikotin mehr bilden können. Darüber hinaus legten sie im Darm der Raupen mit Hilfe der sogenannten RNAi-Technik eine Variante des Enzyms Cytochrom P450 still. Dieses Enzym wird durch die Aufnahme von Nikotin aktiviert. Nun konnten die Forscher das Schicksal von Raupen, die auf nikotinfreien Pflanzen fressen, mit dem von Tieren vergleichen, die zwar Nikotin mit ihrer Nahrung aufgenommen hatten, die es aber mangels Cytochrom P450 nicht weiterverarbeiten können.
Räuberische Spinne hilft Wissenschaftlern bei der Aufklärung des Abwehrmechanismus
Unerwartete Hilfe bei ihren Analysen bekamen die Wissenschaftler von der Wolfsspinne Camptocosa parallela, die bei vorangegangenen Experimenten im Freiland nicht in Erscheinung getreten war. Erstaunlicherweise interessierte sich der nachtaktive Räuber nicht nur für Raupen, die nikotinfreie Nahrung zu sich genommen hatten, sondern auch für die Raupen, die das Nikotin im Körper nicht weiter verarbeiten konnten. Das Cytochrom P450 musste also ein wichtiger Teil eines Abwehrmechanismus gegen diese Spinne sein.
Weitere Analysen ergaben, dass das Enzym in Tabakschwärmerraupen kleinste Mengen des Nikotins aus der Blattnahrung in eine Transportform umwandeln kann, um es dann über die Körperflüssigkeit in das Atmungssystem zu leiten. Über die Öffnungen des Tracheensystems, die sogenannten Stigmen an den Seiten des Raupenkörpers, gibt die Raupe dann eine Art Anti-Spinnen-Signal ab. Andere Feinde der Raupen, wie z.B. Weichwanzen oder Ameisenlöwen, sind vollkommen unempfindlich gegen dieses Abwehrsignal. Als Abwehrstoff der Wirtspflanze ist Nikotin für die Raupen so giftig, dass sie ihn nicht in ihrem Gewebe einlagern können. Sie scheiden deshalb das meiste davon wird wieder aus. Dass sie einen winzigen Teil davon für ihre eigene Verteidigung umwandeln, um mit einer Art giftigem Atem räuberische Spinnen fernzuhalten, hat die Wissenschaftler überrascht. „Dieser Fall von schlechtem toxischem Atem zur Abwehr von Feinden ist bislang einzigartig“, fasst Ian Baldwin die Ergebnisse zusammen.Das Beispiel der Wolfsspinne unterstreicht die Bedeutung des Forschungsansatzes, der molekularbiologische Methoden mit Freilandforschung und Beobachtungen im Ökosystem verbindet. Im Labor wären diese Erkenntnisse nicht möglich gewesen, denn als möglicher Fraßfeind der Raupen war die Spinne den Wissenschaftlern bislang völlig unbekannt.
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