18.11.2019, Universität Regensburg
Auch parasitische Wespen machen Fettsäuren selbst
Parasitische Wespen sind eine sehr artenreiche Gruppe von Insekten, die sich in oder auf anderen Insekten entwickeln und ihre Wirtsorganismen am Ende ihrer Entwicklung töten. Daher sind sie als natürliche Gegenspieler unerlässlich für das Funktionieren von Ökosystemen. Bislang ging man davon aus, dass parasitische Wespen im Laufe der Evolution die Fähigkeit verloren haben, Kohlenhydrate in Fettsäuren umzuwandeln, da sie alle benötigten Nährstoffe während ihrer Entwicklung von ihrem Wirt bekommen. Forscher der Universität Regensburg konnten nun zeigen, dass dieser wichtige Stoffwechselweg in parasitischen Wespen sehr wohl noch aktiv ist und sie aus Glucose Fettsäuren synthetisieren können.
Regensburger Biologen weisen Fettsäurebiosynthese bei parasitischen Wespen nach
Parasitische Wespen sind eine sehr artenreiche Gruppe von Insekten, die sich in oder auf anderen Insekten entwickeln und ihre Wirtsorganismen am Ende ihrer Entwicklung töten. Daher sind sie als natürliche Gegenspieler unerlässlich für das Funktionieren von Ökosystemen. Bislang ging man davon aus, dass parasitische Wespen im Laufe der Evolution die Fähigkeit verloren haben, Kohlenhydrate in Fettsäuren umzuwandeln, da sie alle benötigten Nährstoffe während ihrer Entwicklung von ihrem Wirt bekommen. Forscher der Universität Regensburg konnten nun zeigen, dass dieser wichtige Stoffwechselweg in parasitischen Wespen sehr wohl noch aktiv ist und sie aus Glucose Fettsäuren synthetisieren können.
Weihnachten steht vor der Tür und damit ein wiederkehrendes Problem. Nach den Feiertagen kneift die Hose, denn unser Körper hat im Übermaß genaschte Süßigkeiten in Fett umgewandelt und an unerwünschten Stellen eingelagert. Diese Umwandlung von Zucker in Fettsäuren stellt einen grundlegenden Stoffwechselweg der Natur dar, denn Fettsäuren sind von zentraler Bedeutung für praktisch alle Lebewesen. Sie sind nicht nur Energiespeicher, sondern auch Bestandteile von Zellmembranen und Ausgansstoffe für die Synthese von Hormonen und anderen wichtigen Signalmolekülen. Daher ging man lange davon aus, dass die Umwandlung von Zuckern und anderen Kohlenhydraten in Fettsäuren in den allermeisten Lebewesen abläuft. Seit einigen Jahren wurde jedoch postuliert, dass dies nicht für parasitische Wespen gilt, da diese von ihrem Wirt ausreichend mit Fettsäuren versorgt werden, so dass sie im Laufe der Evolution die Fähigkeit zur Fettsäurebiosynthese verloren haben. Diese Schlussfolgerung basierte jedoch weitestgehend darauf, dass parasitische Wespen, denen Zuckerlösung zum Fraß angeboten wurde, oftmals keine Gewichtszunahme zeigten. Diese Methode ist jedoch relativ ungenau und erlaubt z. B. keine Rückschlüsse, wenn Fettsäurebiosynthese und -verbrennung gleichzeitig ablaufen.
Die Regensburger Forscher hatten daher Zweifel daran, dass parasitische Wespen wirklich auf einen so zentralen Stoffwechselweg verzichten und untersuchten die Fettsäurebiosynthese erneut, jedoch mit einer empfindlicheren Nachweismethode. Sie fütterten verschiedene Arten mit ¹³C-markierter Glucose und analysierten, ob sich das schwerere Kohlenstoffisotop in den Fettsäuren der Wespen wiederfand. In den Fettsäuren aller untersuchter Arten konnten die Regensburger Forscher den aus der Glucose stammenden ¹³C-Kohlenstoff nachweisen. Zudem fanden sie die Isotopenmarkierung auch in dem Sexuallockstoff der Männchen der Wespenart Nasonia vitripennis, welchen diese aus Fettsäuren synthetisieren. Schließlich zeigte auch die Proteinanalyse der Drüse, die den Lockstoff produziert, dass dort die Enzyme der Fettsäurebiosynthese vorkommen. „Diese Ergebnisse zeigen eindeutig, dass die von uns untersuchten Arten sehr wohl in der Lage sind, Zucker in Fettsäuren umzuwandeln,“ sagt Prof. Dr. Joachim Ruther vom Institut für Zoologie, der die Studie geleitet hat. Auch, wenn parasitische Wespen sicher einen Großteil der benötigten Fettsäuren von ihrem Wirt bekommen, halten sie sich doch die Möglichkeit offen, ihren Bedarf in Zeiten des Mangels durch de-novo-Synthese aus Kohlenhydraten zu ergänzen.
Originalpublikation:
Prager, L., Bruckmann, A., Ruther, J., 2019. De novo biosynthesis of fatty acids from α-D-glucose in parasitoid wasps of the Nasonia group. Insect Biochemistry and Molecular Biology 115: 103256
DOI: 10.1016/j.ibmb.2019.103256
19.11.2019, Stiftung Zoologisches Forschungsmuseum Alexander Koenig, Leibniz-Institut für Biodiversität der Tiere
Vorherrschaft der Käfer durch „gekaperte“ DNA möglich
Fremd-DNA haben Käfer über einen sogenannten horizontalen Gentransfer in ihr eigenes Genom integrieren können, was ihnen eine von Symbionten unabhängige Verdauung von Holz und Blättern ermöglicht. Symbionten ermöglichen Käfern normalerweise die Verdauung. Die „gekaperte“ Fremd-DNA erlaubt eine effiziente Verdauung ohne Symbionten. Dies ermöglichte wahrscheinlich die starke adaptive Radiation dieser extrem artenreichen Tiergruppe.
Eine Arbeitsgruppe von 24 Wissenschaftlern aus Deutschland, Australien, China und den USA hat die Verwandtschaftsverhältnisse und die Evolution von Käfern anhand des größten bisher untersuchten Käferdatensatzes untersucht und in der renommierten Fachzeitschrift PNAS unter dem Titel „The evolution and genomic basis of beetle diversity“ veröffentlicht. Unter der Mitarbeit einer größeren Gruppe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Zoologischen Forschungsmuseums Alexander Koenig – Leibniz Institut für Biodiversität der Tiere in Bonn wurden für die Untersuchungen 4,818 Gene aus 146 Arten bzw. 89 Gene für 521 Arten herangezogen, die alle wesentlichen Entwicklungslinien der Käfer repräsentieren.
Eines ihrer wichtigsten Ergebnisse war, dass viele pflanzenfressende Käferarten in ihr Genom Gene für Pflanzenzellwand-abbauende Enzyme von Pilzen und Bakterien integriert haben. Diese Fremd-DNA haben Käfer über einen sogenannten horizontalen Gentransfer in ihr eigenes Genom integrieren können, was ihnen eine von Symbionten unabhängige Verdauung von Holz und Blättern ermöglicht. Symbionten ermöglichen Käfern normalerweise die Verdauung. Die „gekaperte“ Fremd-DNA erlaubt eine effiziente Verdauung ohne Symbionten. Bemerkenswerter Weise geschah dies zweimal voneinander unabhängig. Insgesamt stellen die pflanzenfressenden Käfer mehr als die Hälfte aller existierenden Käfer dar. Deswegen sind die Autoren überzeugt, dass die zwei Ereignisse der Integration von DNA aus anderen Organismen zu den wichtigsten Faktoren gehören, welche die erfolgreiche Evolution der Käfer ermöglicht haben.
„Pflanzenzellwand-abbauende Enzyme waren die Schlüsselinnovation im Mesozoikum“ sagt Dr. Dirk Ahrens vom Forschungsmuseum Alexander Koenig. „Dies ermöglichte eine effiziente Verdauung verschiedener Pflanzengewebe, wodurch sich grundverschiedene Ernährungsweisen, wie Blattminierung oder Holzbohren herausbilden konnten.“
Die Analysen des Teams konnten außerdem bisher kontrovers diskutierte Verwandtschaftsbeziehungen klären und den Ursprung der Käfer in der Karbonzeit datieren. Die außerordentliche Vielfalt der Käfer resultierte jedoch aus einem Mix mehrerer Faktoren. Zu diesen gehörte unter anderem eine geringe Aussterberate der Entwicklungslinien über lange evolutive Zeiträume, die gemeinsame Diversifikation mit Blütenpflanzen sowie der Gentransfer von Mikroben-Genen und die darauffolgende explosionsartige Entstehung neuer Arten – eine sogenannte adaptive Radiation – pflanzenfressender Käfer.
Die Ergebnisse der Arbeit zeigen erneut eindrucksvoll die komplexen evolutiven Beziehungen von Insekten, Pflanzen und Mikroben, deren Erforschung gerade im Angesicht aktueller Herausforderungen (Biodiversitätsverlust) von extremer gesellschaftlicher Bedeutung erscheinen.
Quelle: The evolution and genomic basis of beetle diversity. Autoren:
Duane D. McKenna, Seunggwan Shin, Dirk Ahrens, Michael Balke, Cristian Bezaa, Dave J. Clarke, Alexander Donath, Hermes E. Escalona, Frank Friedrich, Harald Letsch, Shanlin Liu, David Maddison, Christoph Mayer, Bernhard Misof, Peyton J. Murin, Oliver Niehuis, Ralph S. Peters, Lars Podsiadlowski, Hans Pohl, Erin D. Scully, Evgeny V. Yan, Xin Zhou, Adam Slipinski and Rolf G. Beutel.
www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1909655116
20.11.2019, Staatliche Naturwissenschaftliche Sammlungen Bayerns
Erste Großschmetterlings-Raupe im Baltischen Bernstein entdeckt
Dr. Eva-Maria Natzer Öffentlichkeitsarbeit
Ein Forscherteam mit SNSB-Beteiligung hat die erste Raupe eines Großschmetterlings in Baltischem Bernstein entdeckt und identifiziert. Bei dem 44 Millionen Jahre alten Fossil handelt es sich um eine Larve aus der Gruppe der Spannerfalter (Geometridae). Ihre Untersuchungsergebnisse veröffentlichten die Forscher nun in der Fachzeitschrift Scientific Reports.
Sie sieht aus, als wolle sie fliehen – als sie vor 44 Millionen Jahren im Harz eines Baumes stecken blieb. Für die Wissenschaft jedoch ein Glückfall: Der Harztropfen wurde zu Bernstein und hat die eingeschlossene Raupe perfekt konserviert. Bei dem untersuchten Raupen-Fossil handelt es sich um das erste und älteste Exemplar einer Großschmetterlingsfamilie, welches in Baltischem Bernstein entdeckt und identifiziert wurde. Die Larve wurde als neue Art und neue Gattung, Eogeometer vadens, beschrieben, und innerhalb der großen Familie der Spanner (Geometridae) den sogenannten „Rindenspannern“ (Boarmiini) zugeordnet. Heute gehören Spannerfalter mit über 23.000 bekannten Arten zu den drei größten Schmetterlingsfamilien.
Axel Hausmann, Kurator für Schmetterlinge an der Zoologischen Staatssammlung München (SNSB-ZSM) bestimmte die Raupe zusammen mit seinen Kollegen anhand typischer Merkmale genau. Im Gegensatz zu den meisten anderen Schmetterlingen besitzen Spannerraupen zusätzlich zu Brust- und Hinterleibsbeinen nur ein einziges Bauchfußpaar (anstatt vier). Dies ermöglichte der Raupe die Spanner-typische Art der Fortbewegung, bei der das Tier seine Hinterbeine direkt bis hinter die Bauchbeine schiebt. Ihr Körper bildet dabei eine Art Schleife.
Das hohe Alter des Raupen-Fossils von ca. 44 Mio. Jahren hat die Forscher überrascht. Die molekulare Datierung des Stammbaums („Molekulare Uhr“) ergab für die Rindenspanner (Boarmiini) bisher ein jüngeres Alter von 35-38 Mio. Jahren.
„Raupen-Funde im Bernstein sind in jedem Fall Seltenheiten, im Baltischen Bernstein ist dies überhaupt das erste derartige Großschmetterlings-Fossil. Dies liegt möglicherweise an der nächtlichen Aktivität der meisten Schmetterlingsraupen. Denn Harz war wohl hauptsächlich bei höheren Tagestemperaturen und direktem Sonnenlicht flüssig“, deutet Axel Hausmann den Fossilbefund.
Thilo Fischer, Experte für fossile Schmetterlinge und Pflanzen und Erstautor der Studie hofft auf möglichst weitere Funde aus dem Baltischen Bernstein: „Jedes Schmetterlingsfossil gibt uns Einblick in Evolutionsprozesse während der Zeit des Eozän (vor etwa 34-56 Mio. Jahren), in der die Ausbreitung von Blütenpflanzen, wie wir sie heute kennen, und mit denen Schmetterlinge in vielfältiger Wechselwirkung stehen, schon weitgehend abgeschlossen war.“
Originalpublikation:
Fischer, T.C., Michalski, A. & Hausmann, A. Geometrid caterpillar in Eocene Baltic amber (Lepidoptera, Geometridae). Sci Rep 9, 17201 (2019) doi:10.1038/s41598-019-53734-w
22.11.2019, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Leben unter Extrembedingungen an heißen Quellen im Ozean
Meeresforschende an der Uni Kiel entschlüsseln Anpassungsmechanismen von Lebensgemeinschaften an aktivem Vulkan in Taiwan
Die Vulkaninsel Kueishantao im Nordosten Taiwans ist ein extremer Lebensraum für marine Organismen. Mit einem aktiven Vulkan verfügt das küstennahe Gebiet über ein einzigartiges Hydrothermalfeld mit einer Vielzahl an heißen Quellen und vulkanischen Gasen. Der Säuregehalt des Untersuchungsgebietes zählte zu den höchsten der Welt. Das gut zugängliche Flachwasser rund um der Vulkaninsel gehört damit zu den idealen Forschungsumgebungen, um die Anpassungsfähigkeiten von zum Teil hoch spezialisierten marinen Organismen wie Krebse an stark versauertes und toxisches Meerwasser zu untersuchen.
Rund zehn Jahre hatten Meeresforschende des Instituts für Geowissenschaften an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) gemeinsam mit ihren chinesischen und taiwanesischen Partnern der Zhejiang-Universität in Hangzhou und der National Taiwan Ocean University in Keelung regelmäßig Daten zu geologischen, chemischen, biologischen Prozessen erhoben als im Jahr 2016 zwei Ereignisse die Ergebnisse der Zeitreihe unterbrachen. Erst wurde die Insel von einem Erdbeben erschüttert und nur wenige Wochen später von dem schweren tropischen Taifun Nepartak getroffen. Auf Grundlage ihrer seit Jahren erhobenen Daten konnten die Forschenden aus Kiel, China und Taiwan aber nun erstmalig aufzeigen, dass sich biogeochemische Prozesse durch die Folgen des enormen Erdbebens und Taifuns verändert hatten und wie sich unterschiedliche Organismen im Laufe nur eines Jahres grundsätzlich erneut anpassen konnten. Die ersten Ergebnisse der interdisziplinären Studie auf Basis des umfangreichen Datenmaterials, das zum Teil bis in die 1960er Jahre zurückgeht, wurden kürzlich in der internationalen Fachzeitschrift Nature Scientific Reports veröffentlicht.
„Unsere Studie zeigt deutlich, wie eng vor allem atmosphärische, geologische, biologische und chemische Prozesse zusammenwirken und wie ein Ökosystem mit extremen Lebensbedingungen wie vulkanische Quellen am Meeresboden auf Störungen durch natürliche Ereignisse reagiert“, sagt Dr. Mario Lebrato vom Institut für Geowissenschaften an der Uni Kiel.
Seit Jahren forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter Kieler Leitung von Dr. Dieter Garbe-Schönberg und Dr. Mario Lebrato vom Institut für Geowissenschaften an der CAU am flachen Hydrothermalsystem „Kueishantao“. Der ausgewählte Standort weist eine Vielzahl an Kohlendioxid-Austritten im flachen Wasser auf. Darüber hinaus setzen die Quellen toxische Metalle frei. Schwefel verfärbt das Wasser über große Flächen. Die vulkanischen Gase weisen zudem einen hohen Anteil an Schwefelverbindungen aus und führen zu einer starken Versauerung des Meerwassers. Über Methoden der Vermessung, Modellierung, regelmäßigen Probennahmen und mit Hilfe von Laborexperimenten leistet die Erforschung des Hydrothermalfeldes daher einen wichtigen Beitrag zu den Auswirkungen der Ozeanversauerung auf marine Lebensgemeinschaften. In unmittelbarer Nähe der Quellen leben nur wenige spezialisierte Tierarten wie Krebse, Schnecken und Bakterien. Nur wenige Meter weiter herrscht dagegen das vielfältige Leben eines tropischen Ozeans.
„Durch den Säuregehalt des Wassers, den hohen Gehalt an giftigen Stoffen und erhöhte Temperaturen können die dort vorherrschenden Lebensbedingungen als natürliche Laboratorium für die Untersuchung von signifikanten Umweltbelastungen durch den Menschen dienen. An den Quellen bei Kueishantao lassen sich daher zukünftige Szenarien bestens erforschen“, sagt Co-Autorin Dr. Yiming Wang, die kürzlich von der Uni Kiel zum Max-Planck-Institut nach Jena wechselte.
Nach den schweren Ereignissen im Jahr 2016 veränderte sich das Untersuchungsgebiet völlig. Der Meeresboden wurde unter einer Schicht von Sediment und Gesteinsschutt begraben. Zudem versiegten die sauren Warmwasserquellen, und auch die Zusammensetzung des Meerwassers hatte sich großräumig und für einen längeren Zeitraum deutlich verändert. Luftaufnahmen mit Drohnen, Probenahmen durch Forschungstaucher aus Kiel und Taiwan und biogeochemische Untersuchungen zeigten deutlich das räumliche wie chemische Ausmaß der Störungen. Diese wurden vom Biologen und Forschungstaucher Mario Lebrato und seinem taiwanesischen Kollege Li Chun Tseng federführend erfasst und mit den Ergebnissen früherer Probennahmen verglichen. „Was anfangs wie eine Katastrophe auch für unsere laufende Zeitreihenuntersuchung aussah, erwies sich im Nachhinein als Glücksfall. So bekamen wir die seltene Gelegenheit, unmittelbar nach solchen Ereignissen zu beobachten, wie sich Organismen an die schweren Störungen anpassen. Wir konnten dafür auf eine umfassende Datenbasis zurückgreifen“, erläutert Projektleiter Dr. Dieter Garbe-Schönberg vom Institut für Geowissenschaften an der Uni Kiel.
Die Studie ist ein erstes Ergebnis des vom BMBF im Rahmen des Programms Forschung für nachhaltige Entwicklung (FONA3) geförderten Projektes „Das Kueishantao-Hydrothermalfeld als natürliches Labor für die Untersuchung von Auswirkung der Ozeanversauerung“ (noch bis Dezember 2020) und wird in enger Zusammenarbeit mit taiwanesischen und chinesischen Partnern durchgeführt.
Originalarbeit
Lebrato, M., Wang, Y.V., Tseng, L. et al. Earthquake and typhoon trigger unprecedented transient shifts in shallow hydrothermal vents biogeochemistry. Scientific Reports 9, 16926 (2019), https://doi.org/10.1038/s41598-019-53314-y
