31.08.2020, Technische Universität Dresden
Die Borkenkäfer austricksen
Der Wald kämpft mit der größten Borkenkäferplage seit 70 Jahren. Während die Bäume durch Hitze und Trockenheit ausgelaugt sind, vermehren sich die Schädlinge in warmen Jahren besonders stark: Ein Käferpaar des Großen Buchdruckers etwa kann dann bis zu 30.000 Nachkommen haben. Professor Michael Müller, Inhaber der Professur für Waldschutz der TU Dresden, und sein Team haben beginnend im Jahr 2004 und zuletzt im Verbundprojekt „bioProtect“ (2015-2020) eine Methode entwickelt, mit der man die Käfer umweltfreundlich regulieren kann. Projektpartner waren die Abteilung für Forstzoologie und Waldschutz der Georg-August-Universität Göttingen und die Ostdeutsche Gesellschaft für Forstplanung mbH.
Bei der Methode werden Rohhölzer, also geerntetes Holz, mit Substanzen präpariert, die ursprünglich den Pheromonen von Borkenkäfern entnommen wurden. Diese Botenstoffe dienen nicht nur der Kommunikation der Borkenkäfer untereinander. Sie signalisieren auch ihren Feinden, zum Beispiel Ameisenbuntkäfern, wo es Beute gibt. Man spricht dann von Kairomonen. Präpariert man Rohholz mit bestimmten Kairomonen, lockt das zum Beispiel Ameisenbuntkäfer an, die Borkenkäfer fressen. Die Borkenkäfer selbst werden dadurch aber nicht angelockt. Das Prinzip hat Professor Michael Müller schon 2004 entdeckt.
Bei „bioProtect“ haben die Forscher die Methode mit ortsfremden, sogenannten Allochthonen Kairomonen intensiv weiterentwickelt. Stark vereinfacht gesagt: In Laubwäldern nutzten sie Stoffe aus Nadelwäldern, in Nadelwäldern Stoffe aus Laubwäldern. Dieser Tausch zwischen Ökosystemen trickst die Borkenkäfer aus. Denn die Borkenkäfer, die Laubbäume besiedeln, kennen die Pheromone der Nadelbaumborkenkäfer nicht – und umgekehrt. Viele Feinde der Borkenkäfer jedoch können sich an den Kairomonen mehrerer Borkenkäferarten orientieren – sowohl in Laub- als auch in Nadelwäldern. Einigen von ihnen ist es egal, welche Käferart Signale aussendet. Hauptsache Borkenkäfer.
Die ortsfremden Botenstoffe sind also selektiv: Die Feinde der Borkenkäfer locken sie an, die Schädlinge jedoch nicht – oder schrecken diese idealerweise sogar ab. Als Larven fressen die Ameisenbuntkäfer die Borkenkäferstadien, die bereits im Holz sind. Die Käfer „patrouillieren“ zudem auf der Rinde, wo sie anfliegende Borkenkäfer fangen und fressen. So verhindern oder vermindern sie den Befall.
Die Kairomone lassen sich im Labor herstellen. Müller ist dank der Weiterentwicklung in „bioProtect“ optimistisch, dass die Methode in drei bis vier Jahren marktreif ist. „Dann kaufen Waldbesitzer im Fachhandel keine Insektizide, sondern naturnahe Stoffe, die sie an Rohholzstapeln anbringen“, sagt er. Die Stoffe müssen nicht aufgesprüht werden, sondern können zum Beispiel in Ampullen angebracht werden. Die kann man nach dem Gebrauch wieder entnehmen. „Die mit Allochthonen Kairomonen gesteuerten Borkenkäferantagonisten wie etwa die Ameisenbuntkäfer sind heimische Arten. Auch wenn die Populationen durch den Einsatz der Botenstoffe beeinflusst werden, reguliert sich das sehr schnell und ohne schädliche Nebenwirkungen“, so Müller. Die Methode der Allochthonen Kairomone sorgt dafür, dass die Plage nicht noch schlimmer wird: Sie schützt geerntetes Holz, mindert den Bruterfolg der Borkenkäfer etwa in Schutzgebieten und hält Populationsdichten niedrig. So bleiben Holzwerte erhalten und lebende Bäume werden in ihrer Abwehr unterstützt. Um die Massenvermehrung einzudämmen, müsste sich der Wald erholen – denn gesunde Bäume können sich auch selbst gegen Borkenkäfer wehren.
04.09.2020, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie
Luftverschmutzung macht Blütenduft für Falter unattraktiv
Tabakschwärmer finden Blütenduft bei hohen Ozonwerten wenig anziehend, können aber lernen, dass auch Blüten mit durch Ozon verändertem Duft Nektar als Belohnung bieten.
Ein Team von Forschenden des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie und der Universität Virginia, USA, ist der Frage nachgegangen, wie sich Luftverschmutzung und hohe Ozonwerte auf die chemische Kommunikation zwischen Blüten und Bestäubern auswirken. Sie zeigten, dass Tabakschwärmer den Duft ihrer ansonsten bevorzugten Blüten nicht mehr mögen, wenn er durch Ozon verändert worden war. Das giftige Oxidationsmittel stört damit die Wechselwirkung zwischen einer Pflanze und ihrem Bestäuber, die sich über Millionen von Jahren im Laufe der Evolution entwickelt hat. Allerdings sind die Falter in der Lage schnell zu lernen, dass auch weniger angenehm duftende Blüten nahrhaften Nektar verheißen können (Journal of Chemical Ecology, September 2020, DOI: 10.1007/s10886-020-01211-4).
Bestäubung im Anthropozän
Bestäubung ist eine entscheidende Ökosystemdienstleistung, die überwiegend von Insekten übernommen wird. Angelockt werden sie auch vom Duft der Blüten, einem chemischen Signal, für das die jeweiligen Bestäuber eine angeborene Vorliebe haben. Diese Vorliebe ist das Resultat der Ko-Evolution von Blüten und ihren Bestäubern und hat sich über Millionen von Jahren herausgebildet.
Seit etwa 20 Jahren wird in der Wissenschaft der Begriff „Anthropozän“ für die erdgeschichtliche Epoche verwendet, in der der Mensch für viele Veränderungen biologischer und atmosphärischer Prozesse verantwortlich zeichnet. Wenig ist jedoch bisher darüber bekannt, wie sich vom Menschen verursachte Klimaveränderungen und Verschmutzungen der Atmosphäre auf natürliche Umweltdüfte und somit auch auf die chemische Kommunikation zwischen Lebewesen auswirken.
Ein Team von Forschenden des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie und der Universität Virginia ist daher jetzt der Frage nachgegangen, ob vom Menschen verursachte hohe Ozon-Konzentrationen in der Luft Einfluss darauf haben, wie attraktiv bestäubende Falter den Duft einer ihrer Lieblingsblüten finden. Ozon ist ein Oxidationsmittel, eine hochreaktive, schadstoffhaltige Chemikalie, von der bekannt ist, dass sie beim Menschen Atemwegserkrankungen verursacht. Ozon verändert aber auch den Duft, den Blüten abgeben, um ihre Bestäuber anzulocken.
Für ihre Experimente verwendeten die Wissenschaftler Tabakschwärmer der Art Manduca sexta. „Der Tabakschwärmer ist das perfekte Modellinsekt für unser Studie. Obwohl der Falter von Blütendüften angelockt wird, nutzt er auch sichtbare Signale für das Aufspüren von Blüten. Blüten, die Tabakschwärmer attraktiv finden, haben meist die gleichen chemischen Verbindungen in ihrem Blütenduft und sind aufgrund ihrer hellweißen Farbe auch visuell sehr auffällig,“ sagt Studienleiter Markus Knaden, der in der Abteilung Evolutionäre Neuroethologie am Max-Planck-Institut eine Arbeitsgruppe leitet.
Das Forschungsteam ermittelte zunächst die genauen Zusammensetzungen der Blütendüfte mit und ohne erhöhten Ozongehalt und die jeweiligen Konzentrationen einzelner Duftkomponenten mittels Gaschromatographie. Für die durch Ozon verunreinigten Düfte verwendeten die Wissenschaftler Ozon-Konzentrationen, die heute an heißen Tagen im natürlichen Lebensraum der Tabakschwärmer gemessen werden können. Die Reaktionen der Falter testeten sie in Verhaltensexperimenten im Windtunnel, wo die Insekten in einem Wahlversuch dem Originalblütenduft und dem durch Ozon veränderten Duftgemisch ausgesetzt wurden.
„Wir waren überrascht, ja sogar schockiert, dass die Falter ihre angeborene Vorliebe für den Duft der Tabakblüten in Anwesenheit von Ozon völlig verloren hatten,“ beschreibt Markus Knaden die Beobachtungen bei diesen Experimenten.
Tabakschwärmer sind lernfähig
Die Frage war nun, ob sich hungrige Tabakschwärmer auf der Nahrungssuche durch Ozon in der Luft den Appetit verderben lassen oder ihre Nahrungsquelle gar nicht mehr finden. Würden sie in der Lage sein zu lernen, dass auch verunreinigte Blütendüfte eine süße Belohnung verheißen? Dafür testeten die Forschenden, ob Tabakschwärmer einen anfangs unattraktiven Duft als Nahrungshinweis erlernen können, wenn sie ihn riechen, während ihnen gleichzeitig Zuckerlösung verabreicht wird. Sie bezogen dabei mehrere verschiedene Möglichkeiten, wie die Falter lernen können, Blüten anhand des ozonveränderten Dufts zu erkennen, in ihre Untersuchungen mit ein. Dies war entscheidend, um die Experimente mit dem Lernen in der realen Welt in Verbindung zu bringen. Um herauszufinden, ob Tabakschwärmer auch dann veränderte Blütendüfte lernen können, wenn sie von der Belohnung an der Blüte entkoppelt sind, entwickelten die Wissenschaftler ein Experiment, bei dem die Falter dem durch Ozon veränderten Duft zur Blüte folgen mussten. An der Blüte selbst, die eine Zuckerlösung als Belohnung enthielt, wurde ihnen der Originalduft ohne Veränderungen durch Ozon präsentiert.
„Wir hatten zwar erwartet, dass die Falter einen neuen Blütenduft lernen würden, aber dass sie den mit Ozon verunreinigten Duft in einer Reihe verschiedener Versuche lernen würden, auch wenn er nicht direkt an die Belohnung gekoppelt ist, hat uns ziemlich erstaunt. Das Verhalten, das wir bei den Tabakschwärmern beobachten konnten, zeigt, dass sie neue Reize schnell lernen können, um mit ihrer sich rapide verändernden Umwelt zurechtzukommen,“ sagt Erstautorin Brynn Cook von der Universität Virginia. Besonders bemerkenswert an dieser Art der Reaktion auf ein sich veränderndes Umfeld ist, dass sie in Echtzeit erfolgt und nicht über einen Evolutionsprozess.
Lernfähigkeit der Tabakschwärmer bedeutet keine Entwarnung
Auch wenn die Studie zeigt, dass Tabakschwärmer durch Ozon veränderte und anfänglich unattraktive Blütendüfte lernen können, um ihre Blüten zu finden, heißt das nicht, dass Luftverschmutzung keine ernsthafte Gefahr für Bestäubung und Bestäuber darstellt. „Lernen kann zwar ein Schlüssel dafür sein, dass Insekten trotz Luftverschmutzung oder veränderter klimatischer Bedingungen ihre Wirtspflanzen erkennen. Eine Frage, die wir nicht beantworten können, ist jedoch, inwieweit Bestäuber in der Natur überhaupt noch ihre Blüten finden können, um durch Ozon veränderte Blütendüfte zu lernen. Andere Bestäuber sind womöglich weniger lernfähig als Tabakschwärmer. Auf bestimmte Blüten spezialisierte Bestäuber sind möglicherweise beim Lernen nicht so flexibel. Unsere Studie ist nur ein Ausgangspunkt. Jetzt brauchen wir vor allem Feldstudien, um die kritischen Fragen zu beantworten, welche Blüten und Insekten von welchen Schadstoffen am meisten betroffen sind und warum,“ sagt Brynn Cook.
Luftverschmutzung und Klimaveränderungen haben weitreichende Folgen für unser Ökosystem, die längst noch nicht alle untersucht wurden und verstanden werden. So wissen wir nach wie vor wenig über die Auswirkungen atmosphärischer Veränderungen auf die chemische Kommunikation zwischen Pflanzen und Insekten. Nicht nur Blütendüfte werden dadurch verändert, auch Sexuallockstoffe, mit denen Insektenweibchen ihre Männchen anlocken, können durch atmosphärische Veränderungen verfälscht werden und zum Ausbleiben der Paarung führen. Das Insektensterben hat in den letzten Jahren dramatische Ausmaße angenommen. Forschende weltweit sind auf der Suche nach den Ursachen. Diesem Forschungsgebiet widmet sich seit diesem Jahr auch das Max Planck Center next Generation Insect Chemical Ecology, eine Kooperation der Max-Planck-Gesellschaft mit zwei schwedischen Universitäten, an der auch das Max-Planck-Institut für chemische Ökologie und die Koautoren dieser Studie, Bill Hansson und Markus Knaden, maßgeblich beteiligt sind.
Originalpublikation:
Cook, B., Haverkamp, A., Hansson, B.S., Roulston, T., Lerdau, M., Knaden, M. (2020). Pollination in the Anthropocene: a Moth can Learn Ozone-altered Floral Blends, Journal of Chemical Ecology, DOI: 10.1007/s10886-020-01211-4
https://doi.org/10.1007/s10886-020-01211-4
