Arten der Familie der Brassicaceae besitzen ein sehr spezifisches Abwehrsystem, dass aus dem Substrat Glucosinolat (Senfölglycosid) und dem Enzym Myrosinase besteht. Bei Verletzung des Gewebes treten diese miteinander in Kontakt, wobei die Glucosinolate durch Myrosinase zu verschiedenen flüchtigen, teils giftigen Verbindungen abgebaut werden. Den Pflanzen dient dieses System als effiziente Verteidigung gegenüber generalistischen Herbivoren. Larven der Blattwespe Athalia rosae L. (Hymenoptera: Tenthredinidae) haben sich jedoch nicht nur insoweit angepasst, dass sie diese Inhaltsstoffe tolerieren, sie können sie sogar in ihrem Körper sequestrieren. Bei Angriff von Prädatoren zeigen die Larven "easy bleeding" (Abb. 1). Wir untersuchen, wie sich Schwankungen des pflanzlichen Glucosinolat- oder Myrosinase- Gehaltes auf die Physiologie (Entwicklung, Sequestrationsvermögen) der Blattwespen auswirken. Des Weiteren interessiert uns der Sequestrationsmeachnismus innerhalb der Gattung Athalia.
Die Wirtspflanzenqualität zeichnet sich durch verschiedene physikalische und chemische Parameter aus und kann nicht nur zwischen verschiedenen Pflanzenarten sondern auch innerhalb einer Pflanzenart, beispielsweise altersbedingt, stark variieren. Das Wirtswahlverhalten von herbivoren Insekten muss also entsprechend plastisch sein. Wir untersuchen, wieweit die Erfahrung im Larvenstadium mit bestimmter Futterqualität die Entwicklung, die Wirtswahl und den gesamten Verhaltensphänotypen der Tiere beeinflusst.
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.
Der Gemeine Rainfarn (Tanacetum vulgare L., Asteraceae, Abb. 3) ist beispielsweise eurasischen Ursprungs, in Nordamerika jedoch mittlerweile invasiv. Für diese Art charakteristisch ist das Vorhandensein ätherischer Öle, deren Zusammensetzung jedoch erheblich zwischen einzelnen Pflanzen schwankt. Wir untersuchen bei ausgewählten Pflanzenarten die chemische und morphologische Variabilität von Populationen unterschiedlicher Herkunft sowie deren Effekte im Freiland. Außerdem erforschen wir die Wirtsfindung und die Entwicklung potentieller Kandidaten für die biologische Kontrolle.
Dieses Projekt findet u. a. in Kooperation mit CABI Europe Switzerland statt.
Die Pflanzenart Arabidopsis halleri (Brassicaceae) kommt an metallbelasteten Standorten vor und kann große Mengen an Schwermetallen wie Cadmium und Zink in ihrer oberirdischen Biomasse akkumulieren. Wir untersuchen die Rolle der Metallanreicherung in Zusammenhang mit Interaktionen zwischen diesen Pflanzen und deren herbivoren Insekten. Bei diesem von der DFG geförderten Projekt kooperieren wir mit den Universitäten Bochum und Bayreuth.
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.
Pflanzen werden in der Regel gleichzeitig an ihren oberirdischen Organen als auch unterirdisch an den Wurzeln durch herbivore Organismen attackiert. Herbivorenfraß und die damit verbundenen Induktionsereignisse können die Qualität der Wirtspflanze lokal am Ort der Attacke aber auch systemisch in anderen Pflanzenabschnitten deutlich verändern. Die Antwort der Pflanze hängt dabei ganz spezifisch vom Fraßmuster und der Art des Herbivoren ab. Somit können verschiedene Herbivoren, die an unterschiedlichen Pflanzenabschnitten saugen oder fressen, indirekt (pflanzenvermittelt) aufeinander einwirken und das gegenseitige Verhalten und die Fitness beeinflussen. An Modell-Untersuchungssystemen Wirtspflanze-Blattherbivoren-Wurzelparasiten (Abb. 4) untersuchen wir die spezifischen Veränderungen des pflanzlichen Metabolitenmusters durch ober- und unterirdische Herbivoren in räumlicher und zeitlicher Auflösung. Des Weiteren interessieren uns die Rückwirkungen der chemischen Veränderungen der Wirtspflanze auf die Herbivoren sowie die über die gemeinsame Wirtspflanze vermittelten indirekten Interaktionen zwischen Spross- und Wurzelherbivoren.
Dieses Projekt wird von der DFG gefördert.
Die Arbuskuläre Mykorrhiza (AM) ist eine im Pflanzenreich weit verbreitete Symbiose zwischen terrestrischen Pflanzen und AM-Pilzen, 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 obligat biotrophen AM-Pilzes ist anzunehmen, dass nicht nur das Metabolitenprofil der Wurzel, sondern auch oberirdische Pflanzenteile in ihrer Chemie durch diese Symbiose beeinflusst werden. Mittels chromatographisch-spektrometrischer Analysen untersuchen wir AM-induzierte Veränderungen flüchtiger und nicht-flüchtiger Metaboliten in verschiedenen Pflanzenteilen kolonisierter Pflanzen. Diese Studien werden an Modellsystemen durchgeführt, die es erlauben, generelle und artspezifische Reaktionen der Pflanzenwirte auf die kolonisierenden AM-Pilze zu differenzieren.
Phloemsaft kann ganz spezifisch aus intakten Pflanzen mit Hilfe eines Lasermikroskops (Aphidentechnik) gewonnen werden (Abb. 6). Im Phloem werden Kohlenhydrate, Aminosäuren, Proteine und Phytohormone transportiert, aber auch Sekundärmetaboliten. Abiotische und biotische Umweltfaktoren können chemische Veränderungen der Phloemsaftzusammensetzung verursachen, wobei insbesondere sekundäre Metaboliten zur Stressabwehr der Pflanze dienen. Ziel ist es herauszufinden, wie die Phloemsaftzusammensetzung durch Umweltfaktoren verändert wird.
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