Chemische Ökologie
 
 
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Projekte

Metabolomics

Die qualitative und quantitative Zusammensetzung aller Inhaltsstoffe einer Pflanze (Metabolom) wird einerseits durch endogene Faktoren, andererseits durch verschiedene Umwelteinflüsse wie Nährstoffverfügbarkeit und Störungen beeinflusst. Veränderungen des Metabolitenmusters wirken sich direkt auf Organismen aus, die sich von der Pflanze ernähren. Wir untersuchen die Variation der Inhaltsstoffe mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung (mittels LC-TOF-MS und GC-MS) sowie die Einflüsse solcher Veränderungen auf herbivore Organismen in standardisierten Laborsystemen und im Freiland (Abb. 1).

 

Einflüsse von sublethaler Insektizid-Exposition und Inzucht auf Entwicklung und Verhalten eines Blattkäfers

Thorben Müller

Insekten müssen sich an neue, anthropogen verursachte Lebensraumveränderungen anpassen. Die Zunahme von Urbanisierung und landwirtschaftlich genutzter Flächen bedingt eine vermehrte Insektizid-Exposition und Verkleinerung vieler Habitate und Populationen, was wiederum ein Inzuchtrisiko erhöht. In vorherigen Studien konnten wir zeigen, dass sich Faktoren wie Futterqualität und Aufzuchtsdichte signifikant auf die Entwicklung und das Verhalten der Larven und Adulten des Meerrettichblattkäfers Phaedon cochleariae auswirken (Abb. 2). In diesem Projekt soll nun untersucht werden, welche Effekte sublethale Konzentrationen von Insektiziden sowie Inzucht auf Entwicklungsparameter und Verhaltensphänotypen, sowie auf weitere physiochemische Eigenschaften des Blattkäfers haben.

Bericht uni aktuell vom 26. Juli 2017

 

Gegenanpassungen von Blattkäfern an die Wirtspflanzenabwehr über die Ontogenie

Svenja Geisler, Caroline Müller

Herbivore Insekten haben verschiedene Strategien evolviert, um Abwehrstoffe ihrer Wirtspflanzen zu entgiften. Die Pflanzenfamilie der Brassicaceae zeichnet sich durch das Glukosinolat-Myrosinase-Abwehrsystem aus, bei dem toxische Abbauprodukte wie Isothiocyanate freigesetzt werden, sobald das Substrat mit dem Enzym in Kontakt kommt. Insekten, die an Brassicaceae fressen, müssen daher die Glukosinolate so metabolisieren, dass die Bildung toxischer Abbauprodukte vermieden wird. Für einige Spezialisten wurden dafür bereits unterschiedliche Strategien gefunden. Wir untersuchen, unter Verwendung verschiedener chemisch-analytischer Methoden, den entsprechenden Entgiftungsmechanismus bei Larven und Adulten von zwei Blattkäferarten, über deren Strategien bisher noch nichts bekannst ist.

 

Wechselspiel zwischen Mykorrhizapilzen, Pflanzen und Herbivoren

Viktoria Tomczak, Rabea Schweiger, Caroline Müller

Die arbuskuläre Mykorrhiza (AM) ist eine im Pflanzenreich weit verbreitete Symbiose zwischen terrestrischen Pflanzen und AM-Pilzen (Abb. 3), bei der die Pflanze dem Pilz Photoassimilate liefert, während dieser im Gegenzug zu einer verbesserten Versorgung des Wirtes mit Mineralstoffen und Wasser beiträgt. Aufgrund der engen morphologischen und physiologischen Kopplung zwischen den Symbiosepartnern und der hohen Kohlenstoff-Senkenstärke des AM-Pilzes beeinflusst die Symbiose nicht nur das Metabolitenprofil der Wurzel, sondern auch oberirdische Pflanzenteile in ihrer Chemie und in der Ressourcenallokation. Mittels chromatographisch-spektrometrischer Analysen untersuchen wir AM-induzierte Veränderungen flüchtiger und nicht-flüchtiger Metaboliten in verschiedenen Pflanzenteilen kolonisierter Pflanzen. Diese Studien werden an verschiedenen Pflanzenarten durchgeführt, um generelle und artspezifische Reaktionen der Pflanzenwirte auf die kolonisierenden AM-Pilze zu differenzieren. Darüber hinaus interessiert uns, wie sich die Pflanzenchemie auf das Verhalten und die Entwicklung herbivorer Insekten auswirkt.

 

Einfluss der Rhizobiensymbiose auf das pflanzliche Metabolom und Herbivore

Rabea Schweiger

Knöllchenbakterien, sogenannte Rhizobien, leben in Symbiose mit Schmetterlings-blütlern. Die Bakterien kolonisieren die Pflanzenwurzeln, fixieren Luftstickstoff und liefern Stickstoffhaltige Verbindungen an die Pflanze, welche die Bakterien im Gegenzug mit Kohlenstoffhaltigen Verbindungen versorgt (Abb. 4). Der zusätzliche Eintrag an Stickstoff kann nicht nur den pflanzlichen Ertrag steigern, sondern auch die chemische Zusammensetzung der Pflanzen beeinflussen. Ziel des Projektes ist es, den Einfluss der Rhizobiensymbiose auf die Morphologie und Biochemie verschiedener Nutz- und Modellpflanzenarten zu untersuchen. Neben Veränderungen des gesamten Blattmetaboloms werden Effekte auf die Chemie des Phloemsafts untersucht. Eine modifizierte Pflanzenchemie kann Veränderungen der Futterqualität für Fraßfeinde der Pflanze zur Folge haben. So werden weiterführend pflanzenvermittelte Effekte auf die Entwicklung von Herbivoren verschiedener Fraßtypen untersucht.

 

Ökologische Rolle von Metall-Hyperakkumulation in Arabidopsis halleri

Clemens Stolpe, Caroline Müller

Die Pflanzenart Arabidopsis halleri (Brassicaceae, Abb. 5) kann an metallbelasteten Standorten überleben und ist darüber hinaus in der Lage, große Mengen an Schwermetallen wie Cadmium und Zink in ihrer oberirdischen Biomasse zu akkumulieren. Wir untersuchen die ökologische Rolle dieser Schwermetallanreicherung in Zusammenhang mit Phloem-saugenden Insekten, wie z. B. der grünen Pfirsichblattlaus Myzus persicae. Des Weiteren interessiert uns, ob es Tradeoffs zwischen der Verteidigung durch organische Metaboliten und den akkumulierten Schwermetallen in der Pflanze gibt. Bei diesem von der DFG geförderten Projekt kooperieren wir mit den Universitäten Bochum und Bayreuth.

Universität Bochum                        Universität Bayreuth

 

Etablierungsmechanismen invasiver Pflanzen

Lisa-Johanna Tewes, Caroline Müller

Pflanzenarten, die neu in ein Gebiet eingebracht wurden, in dem sie vorher nicht heimisch waren, können ein massives Problem darstellen, da sie sehr konkurrenzstark gegenüber heimischen Arten werden und diese verdrängen können. Zu den zugrunde-liegenden Mechanismen für diese erfolgreiche Etablierung existieren verschiedene Hypothesen. Unter anderem wird vermutet, dass sich in den invasiven Populationen möglicherweise aufgrund veränderter Herbivorendrücke das chemische Profil der Pflanzen verändern könnte und es damit zu einer Ressourcenverteilung hin zu konkurrenzstärkerem Wachstum kommt.


Das orientalische Zackenschötchen (Bunias orientalis, Abb. 6) stammt aus der Kaukasusregion, breitet sich aber innerhalb des eurasischen Kontinents immer weiter nach Westen aus. Wir vergleichen die chemische und morphologische Variabilität von Populationen unterschiedlicher Herkunft und untersuchen die Effekte individueller Unterschiede auf Interaktionen mit herbivoren Insekten und Pathogenen im Freiland.

 

Allelopathie in einer invasiven Pflanze

Jan Hendrik Hoerner, Elisabeth J. Eilers

Allelopathie kann nicht-dominaten Arten ermöglichen in neue Gebiete einzudringen und sich dort erfolgreich gegen die neuen Nachbarpflanzen durchzusetzen. Reiherschnabel (Erodium cicutarium, Geraniaceae, Abb. 7) ist ein Unkraut in verschiedenen Feldanbau-Systemen und aufgrund dessen eine gut untersuchte Pflanze in Bezug auf ökologische Eigenschaften, die der Pflanze ermöglichten, in Nordamerika invasiv zu werden. Die Pflanze zeigt eine hohe morphologische Anpassungsfähigkeit an Umweltbedingungen. Die chemische Plastizität und im speziellen allelopathische Effekte wurden jedoch bislang kaum untersucht. Wir untersuchen ob und wie Sekundärmetabolite der unter- und oberirdischen Pflanzenteile Überleben und Biomasseproduktion von landwirtschaftlichen Nachbarpflanzen beeinflussen.

 

Chemische Diversität von Tanacetum vulgare und Interaktionen mit der Umwelt

Ruth Jakobs, Caroline Müller

Der Gemeine Rainfarn, Tanacetum vulgare, kann anhand unterschiedlicher Terpenprofile der Blätter in verschiedene Chemotypen unterteilt werden. Diese hohe chemische Diversität kann Interaktionen mit Herbivoren beeinflussen (Abb. 8). So können spezialisierte Blattläuse eine Präferenz für bestimmte Chemotypen zeigen. Die Phloemzusammensetzung und Blatt-Seneszenz kann wiederum von der befallenden Blattlausart abhängen. Wir untersuchen, ob sich die Phloemzusammensetzung zwischen den Chemotypen (in Abhängigkeit von Blattlausbefall) unterscheidet und ob die verschiedenen Blattlausspezialisten verschiedene Signalwege und somit unterschiedliche Metaboliten induzieren.

 

Florivorie versus Bestäubung einer Terpen-reichen Pflanze

Elisabeth J. Eilers

Bestäubungsabhängige, pollenreiche Pflanzen könnten einem Zielkonflikt zwischen der Abschreckung Pollen-fressender Insekten und der Anziehung Pollen-verteilender Insekten ausgesetzt sein. Rainfarn (Tanacetum vulgare, Asteraceae) prägt Chemotypen aus, die eine charakteristische Zusammensetzung an Terpenen in den Blättern und Blüten aufweisen und von Herbivoren unterschiedlich stark frequentiert werden. In diesem Projekt wird untersucht, ob ebenfalls ein Zusammenhang zwischen Chemotypen und Bestäubung besteht und ob sich die Terpen-Zusammensetzung nach erfolgreicher Bestäubung oder Anwesenheit von Florivoren ändert (Abb. 9).

 

Das Phloemsaft-Metabolom und seine Relevanz für Blattläuse

Rabea Schweiger, Caroline Müller

Im pflanzlichen Phloemsaft werden diverse primäre und sekundäre Inhaltsstoffe transportiert. Abiotische und biotische Umweltfaktoren können chemische Veränderungen der Phloemsaftzusammensetzung verursachen. Ziel diverser Projekte bei uns ist es herauszufinden, wie die Phloemchemie verschiedener Pflanzenarten durch Umweltfaktoren (z. B. Düngung, Trockenstress, Konkurrenz, Symbiosen) verändert wird. Reiner Phloemsaft kann aus intakten Pflanzen mit Hilfe eines Lasermikroskops (Aphidentechnik, Abb. 10) gewonnen und dann chemisch analysiert werden. Um zu verstehen, wie Phloemsaftkonsumierende Herbivore (z. B. Blattläuse) durch Veränderungen der Phloemchemie beeinflusst werden, wird deren Entwicklung auf künstlichen Phloemsaft-Imitaten verschiedener Zusammensetzung verglichen (Abb. 11). Chemische Analysen von Honigtau, der von den Blattläusen abgegeben wird, geben zudem Einblicke in die Verstoffwechselung der Diät. Ziel dieser Studien ist es, die für die Blattlausernährung relevanten Faktoren zu charakterisieren, sowie das Schädlingspotential von Blattläusen in der Natur zu verstehen.

 

Auswirkungen von Trockenstress auf Weizen (Triticum aestivum) und Getreide-Blattläuse

Jana Stallmann, Rabea Schweiger, Caroline Müller

Der Einfluss des Klimawandels auf landwirtschaftliche Nutzpflanzen spielt schon seit längerer Zeit eine große Rolle. Insbesondere steigende Temperaturen, CO2-Konzentrationen und intensivere Trockenstressperioden sind hierbei von Bedeutung. In diesem Projekt werden mithilfe von Biotests an Weizen die Auswirkungen von kontinuierlichem versus pulsierendem Trockenstress auf die Entwicklung und Präferenzen herbivorer Insekten wie der Großen Getreideblattlaus (Sitobion avenae) untersucht (Abb. 12 und 13). Es wird erforscht, in wie weit die beobachteten Effekte auf Schädlinge mit Veränderungen im Primär- und Sekundärmetabolom der Blätter und Früchte sowie des Phloemexsudats von Weizen korreliert werden können.

 

Die Effekte von Herbivorie auf die Expression von Inzuchtdepression

Karin Schrieber

Inzuchtdepression beschreibt die Reduktion der Fitness bei Nachkommen, die aus der Verpaarung nahe verwandter Eltern hervorgegangen sind. Die schädlichen Effekte von Inzucht können sich unter anderem in reproduktiven Merkmalen (z.B. Anzahl der von Pflanzen produzierten Blüten) oder in der Resistenz gegen bestimmte Stressfaktoren (z.B. Herbivoren) entfalten. In diesem Projekt untersuchen wir die interaktiven Effekte von Inzucht und Herbivorie auf europäische und nordamerikanische Populationen der Pflanze Silene latifolia (Weiße Lichtnelke, Abb. 14). Wir untersuchen:

i) die Effekte von Inzucht auf die Komposition von Sekundärmetaboliten, die potentiell in die pflanzliche Abwehr gegen Herbivoren involviert sind,

ii) ob diese Veränderungen im Metabolom die Intensität der Herbivorie beeinflussen und

iii) ob Herbivorie die Expression von Inzuchtdepression in reproduktiven Merkmalen beeinflusst.

Darüber hinaus interessiert uns, wie sich diese Inzucht x Herbivorie Interaktionen im Hinblick auf Unterschiede in der Intensität der Herbivorie zwischen nativem und invadiertem Gebiet auf die Evolution von Resistenzmerkmalen auswirken.