Evolution of host plant adaptation in the crucifer-feeding specialist Pieris rapae

• Antragstellerin: Professorin Dr. Ute Wittstock
• Fachliche Zuordnung: Ökologie und Biodiversität der Tiere und Ökosysteme, Organismische Interaktionen ; Biochemie und Physiologie der Tiere ; Organismische Interaktionen, chemische Ökologie und Mikrobiome pflanzlicher Systeme
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 178788273

Die Verbindung zwischen den Pieridae und glucosinolathaltigen Pflanzen begann vor 75 Mill. Jahren mit einem Wirtswechsel von Fabales auf Brassicales. Die entscheidende Innovation, die die Besiedelung dieser Pflanzen erlaubte, war das Nitril-spezifizierende Protein, das es Larven der Pieridae ermöglicht, die schädlichen Wirkungen des Glucosinolat-Myrosinase-Systems zu umgehen, indem es die Hydrolyse der Glucosinolate zu giftigen Isothiocyanaten verhindert und zu Nitrilen umdirigiert. Wir haben gefunden, dass während des Metabolismus Glucosinolat-abgeleiteter aromatischer Nitrile in Pieris rapae Cyanid entsteht, d.h. die "Senfölbombe" in eine "Cyanid-Bombe" umgewandelt wird und dass Larven von P. rapae außergewöhnlich tolerant gegenüber cyanogener Nahrung sind. Da ursprüngliche Vertreter der Brassicales reich an aromatischen Glucosinolaten sind, leiten wir daraus die Hypothese ab, dass die Fähigkeit, große Mengen Cyanid zu entgiften, zum primären Wirtspflanzenwechsel beigetragen hat und dass sich diese Fähigkeit erhalten hat, da sie die Nutzung einer Vielfalt von Wirtspflanzen der Brassicales ermöglicht. In diesem Projekt werden die für die Cyanidentgiftung in P. rapae verantwortlichen Enzyme, beta-Cyanoalaninsynthase und Rhodanese, auf molekularer Ebene identifiziert und biochemisch charakterisiert. Neben P. rapae werden weitere Arten der Pieridae, aber auch andere Lepidoptera in die Arbeiten einbezogen, um Mechanismen und Effizienz der Cyanidentgiftung innerhalb der untersuchten Arten zu vergleichen. Um die Rolle von beta-Cyanoalaninsynthase und Rhodanese in P. rapae in vivo zu erfassen, werden die entsprechenden Gene mittels RNA-Interferenz stillgegelegt und die Viabilität, das Wachstum und die Metabolitenprofile der Larven unter Cyanidexposition analysiert. Außerdem wird untersucht, ob P. rapae in der Lage ist, das Entgiftungsprodukt beta-Cyanoalanin als Quelle für reduzierten Stickstoff zu nutzen und ob P. rapae über weitere Entgiftungswege für Cyanid verfügt. Die Beteiligung von zwei Gruppen pflanzlicher Abwehrstoffe an der Artenbildung einer Gruppe von Herbivoren ist bisher kaum untersucht worden. Die Ergebnisse des Projektes werden ein besseres Verständnis der biochemischen Grundlagen der Anpassung herbivorer Insekten an die komplexe Chemie ihrer Wirtspflanzen im Kontext der Koevolution ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen