Chemischer Signalaustausch in Ameisen/Pflanzen-Mutualismen untersucht mit Isotopen, Transkriptomen und Verhaltenstests im Freiland

• Antragstellerin: Professorin Dr. Susanne Sabine Renner
• Fachliche Zuordnung: Evolution und Systematik der Pflanzen und Pilze
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 270527437

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Projekt untersuchten wir Ameisen/Pflanzen Mutualismen, bei denen Ameisen ihre Nester in speziellen Höhlungen (Domatien) bauen, die manche epiphytische Pflanzen ausbilden egal ob Ameisen anwesend sind oder nicht. Die angewandten Methoden umfassten Feldbeobachtungen und Experimente im Feld und im Labor, mit dem Ziel, die Gewinne und Kosten solcher Mutualismen zu bestimmen und rauszufinden, inwiefern beide Partner zahlen. Diese Frage zu beantworten ist wichtig, um zu verstehen wie Mutualismen entstehen und im Laufe der Evolution wieder verloren gehen. Die Ameisen wurden mit Isotopen-markierter Zuckerlösung gefüttert, um den Verbleib ihrer Exkrete und damit ihren Beitrag zur Düngung der bewohnten Pflanzen zu verfolgen. Metabolom-Analysen im Labor von Domatien-Geweben von neun Ameisen-bewohnten Pflanzenarten dienten dazu, besonders abundante oder ungewöhnliche Stoffe zu entdecken, die vielleicht eine Rolle in der chemischen Kommunikation zwischen Pflanzen und Ameisen spielen. Im letzten Schritt wurden die Transkriptome von unterschiedlichen Geweben innerhalb des Domatiums einer stets nur von einer Ameisenart bewohnten Pflanzenart untersucht. Wir fanden, dass 58 Gene, die mit Stickstoff- und Auxin-Transport zu tun haben, in denjenigen Teilen der inneren Domatiumwand hochreguliert sind, auf denen die Ameisen ihren Kot absetzen. Das legt nahelegt, dass diese Teile analog zu Wurzeln funktionieren. In glatten inneren Domatiumwänden, dort wo Ameisen ihre Larven großziehen aber niemals Kot absetzen, sind vier Gene über-exprimiert, die mit Suberin- und Wachs-Biosynthese zu tun haben; bei diesen Wänden kommt es auf eine wasserabweisende glatte Oberfläche an. Die Resultate helfen, zum ersten Mal in den genetischen Werkzeugkasten von Epiphyten zu schauen, die in den Baumkronen der Tropen leben und es schaffen, komplett von Ameisen ernährt zu werden, ohne je mit Erde in Berührung zu kommen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• 2017. Partner abundance controls mutualism stability and the pace of morphological change over geologic time. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA 114(15): 3951-3956
  Chomicki, G., and S. S. Renner
  
• 2017. The assembly of ant-farmed gardens: mutualism specialization following host broadening. Proceedings of the Royal Society B 284: 20161759
  Chomicki, G., M. Janda, and S. S. Renner
  
• 2017. The interactions of ants with their biotic environment. Proceedings of the Royal Society B 284: 20161759
  Chomicki, G., and S. S. Renner
  
• 2019. Climate and symbioses with ants modulate leaf/stem scaling in epiphytes. Scientific Reports (Nature) 9: 1-12
  Chomicki, G., and S. S. Renner
  
• 2019. Farming by ants remodels nutrient uptake in epiphytes. New Phytologist 223(4): 2011-2023
  Chomicki, G., and S. S. Renner
  
• Tradeoffs in the evolution of plant farming by ants. Proceedings of the Natl. Academy, USA, online 21 Jan. 2020
  Chomicki, G., G. Kadereit, S. S. Renner, and E. T. Kiers