Experimentelle Rekonstruktion der Evolution einer Ernährungssymbiose in Feuerwanzen

• Antragsteller: Adam Martinez, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Ökologie und Biodiversität der Tiere und Ökosysteme, Organismische Interaktionen ; Evolution, Anthropologie ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie ; Systematik und Morphologie der Tiere
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 320419636

Der großen Radiation der Insekten durch Anpassung an neue Gruppen von Wirtpflanzen ging eine Aufnahme von Mikroorganismen voraus, die im Stande waren die Nahrungsquellen dieser Insekten zu ergänzen. Herbivore Wanzen sind oft mit einer essentiellen mikrobiellen Darmgemeinschaft assoziiert. Die Wanzen aus der Familie der Pyrrhocoridae (Feuerwanzen) entwickelten sich aus einem Vorfahren, der mit Bakterien der Gattung Burkholderia in Symbiose lebte, beherbergen jetzt in der Regel aber eine Darmgemeinschaft, die im Kern aus den vier Bakterien Coriobacterium, Gordonibacter, Clostridium und Klebsiella besteht. Dieser Symbiontenwechsel spielte eine bedeutende Rolle in ihrer Anpassung an Malvengewächse, eine Vitamin-arme Nahrungsquelle, die zudem noch giftige Cyclopropen-Fettsäuren (CPFA) enthalten. Jedoch ist diese Bakteriengemeinschaft nicht in allen Arten der Pyrrhocoridae erhalten geblieben. Eine ursprüngliche Art der Feuerwanzen, Probergrothius angolensis, ernährt sich von Welwitschia, welche ausschließlich in den Wüstengebieten Namibias wächst. Der Wanze fehlen allerdings die Bakterien Gordonibacter und Coriobacterium, die die Nahrung anderer Feuerwanzen durch die Bereitstellung von Vitaminen aufwertet. Wie auch die Samen der Malvengewächse enthalten Welwitschia-Samen CPFA und nur wenige Vitamine. Daher ist unklar, wie P. angolensis mit nur den beiden anderen zentralen Bakterien der Feuerwanzen-Darmgemeinschaft auf Welwitschia überleben kann. Aktuelle phylogenetische Analysen zeigen, dass sich P. angolensis vor der Aufnahme von Coriobacterium und Gordonibacter von dem Rest der Feuerwanzen abspaltete. Eine Untersuchung der Anpassung von P. angolensis an ihre Nahrung könnte allgemein Erkenntnisse gewähren, wie der Erwerb von Symbionten die Ökologie von Insekten verändert und es ihnen erlaubte sich in diverse ökologische Nischen auszubreiten.Ziel meines Projekts ist es, 1) durch die Bestimmung des Vitamingehalts von Welwitschia-Samen und der Untersuchung der Nährstoffbedürfnisse von P. angolensis, das ein Übergangsstadium in der Entstehung der komplexeren symbiotischen Darmgemeinschaft darstellt, zu charakterisieren. 2) Den nächsten Schritt in dieser Entwicklung werde ich durch eine künstliche Infektion mit nützlichen Darmbakterien und Umstellung der Nahrung experimentell nachvollziehen. 2) Dazu werde ich Bakterien die an der Synthese von Vitaminen in den höheren Feuerwanzen beteiligt sind kultivieren und ihren Beitrag zur Vitaminsynthese durch Genomsequenzierung untersuchen. Mit diesen Isolaten werde ich P. angolensis infizieren und durch Fitness-Tests ihren Beitrag zur Ernährung des Wirtes bestimmen. 3) Ein Vergleich allopatrischer Populationen von P. angolensis, die sich von Welwitschia oder Malvalesgewächsen ernähren, soll den Einfluss der Variabilität ihrer bakteriellen Darmgemeinschaft auf die Anpassung an unterschiedliche Nahrungsquellen untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen