Ökologie und Evolution von kooperativer Pilzzucht bei Käfern

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Biedermann
• Fachliche Zuordnung: Evolution, Anthropologie ; Biochemie und Physiologie der Tiere ; Biologie des Verhaltens und der Sinne
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 322563882

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Kooperation ist in der Natur allgegenwärtig, und ihre Evolution hat Generationen von Evolutionsbiolog:Innen vor Herausforderungen gestellt. Heute sind viele Grundlagen der sozialen Evolution weithin anerkannt, aber wichtige Fragen bleiben ungelöst. So ist beispielsweise der stärkste Ansatz in der Evolutionsbiologie, nämlich die experimentelle Evolution von Sozialverhalten bei Tieren noch nicht gelungen. Weiters kann uns die Pilzzucht, die manche soziale Insekten betreiben, möglicherweise Ideen für unser menschliche Landwirtschaft geben, was die Förderung unserer Kulturpflanzen und die spezifische Unterdrückung von Pathogenen betrifft. In diesem Emmy-Noether-Projekt haben wir verschiedene Borken- und Ambrosiakäferarten und verschiedene methodische Ansätze verwendet, von Verhaltensstudien, experimenteller Evolution, chemischen Analysen, ökologischer Stöchiometrie, mikrobiellen und olfaktorischen Bioassays bis hin zu modernen Sequenzierungstechnologien, um die oben genannten Hauptfragen und einige kleinere Fragen zum Sozialverhalten, zu den Wechselwirkungen zwischen Sozialverhalten und Pilzmutualismus und zu den Wechselwirkungen zwischen bakteriellen und pilzlichen Symbionten zu beantworten. Auch wenn es uns nicht gelungen ist, mit zwei verschiedenen Ansätzen ein höheres Sozialverhalten bei Ambrosiakäfern zu selektieren, so haben wir sowohl klare Zeichen für Koevolution zwischen Käfer und Symbionten als auch adaptiertem Sozialverhalten finden können. Unter anderem können Ambrosiakäfer ihre verschiedenen Symbionten anhand ihrer Duftstoffe identifizieren und sind in der Lage das Wachstum ihrer Nahrungspilze gegenüber Pilzkonkurrenten aktiv zu fördern. Indirekt tun sie dies, indem sie ein ethanolreiches Holzsubstrat auswählen, auf dem ihre Nahrungspilze besser in der Lage sind, Konkurrenten auszustechen. Außerdem sind sie mit Streptomycetes und Pseudomonas Bakterien assoziiert, wobei erstere selektiv alle Pilze außer ihrer Nahrungspilze im Wachstum hemmen, und letztere die Nahrungspilze durch die Produktion eines Lipopolysaccharids zur Fruchtkörperbildung anregen. Generell haben wir starke Hinweise darauf gefunden, dass das Symbiontenmanagement die stärkste evolutionäre Triebkraft für das Sozialverhalten von Ambrosiakäfern ist und ihre Sozialsysteme durch die Langlebigkeit des Holzsubstrats begrenzt sind. Nachdem wir die wichtige Rolle des mikrobiellen Managements bei Ambrosia-Käfern bewiesen haben, schlagen wir vor, dass die Interaktionen mit Mikroben auch bei anderen sozialen Insekten ein unterschätzter Faktor für die Evolution von Sozialität sein könnte.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Evolutionary feedbacks between insect sociality and microbial management. Current Opinion in Insect Science, 22, 92-100.
  Biedermann, Peter H. W. & Rohlfs, Marko
  
• Insect-Fungus Interactions in Dead Wood Systems. Zoological Monographs, 377-427.
  Birkemoe, Tone; Jacobsen, Rannveig M.; Sverdrup-Thygeson, Anne & Biedermann, Peter H. W.
  
• Low intraspecific genetic diversity indicates asexuality and vertical transmission in the fungal cultivars of ambrosia beetles. Fungal Ecology, 32, 57-64.
  van de Peppel, L.J.J.; Aanen, D.K. & Biedermann, P.H.W.
  
• Symbiont selection via alcohol benefits fungus farming by ambrosia beetles. Proceedings of the National Academy of Sciences, 115(17), 4447-4452.
  Ranger, Christopher M.; Biedermann, Peter H. W.; Phuntumart, Vipaporn; Beligala, Gayathri U.; Ghosh, Satyaki; Palmquist, Debra E.; Mueller, Robert; Barnett, Jenny; Schultz, Peter B.; Reding, Michael E. & Benz, J. Philipp
  
• Bark Beetle Population Dynamics in the Anthropocene: Challenges and Solutions. Trends in Ecology & Evolution, 34(10), 914-924.
  Biedermann, Peter H.W.; Müller, Jörg; Grégoire, Jean-Claude; Gruppe, Axel; Hagge, Jonas; Hammerbacher, Almuth; Hofstetter, Richard W.; Kandasamy, Dineshkumar; Kolarik, Miroslav; Kostovcik, Martin; Krokene, Paal; Sallé, Aurélien; Six, Diana L.; Turrini, Tabea; Vanderpool, Dan; Wingfield, Michael J. & Bässler, Claus
  
• Evolutionary chemo-ecology of insect-fungus interactions: Still in its infancy but advancing. Fungal Ecology, 38, 1-6.
  Biedermann, Peter H.W.; De Fine Licht, Henrik H. & Rohlfs, Marko
  
• Fungi associated with beetles dispersing from dead wood – Let's take the beetle bus!. Fungal Ecology, 39, 100-108.
  Seibold, Sebastian; Müller, Jörg; Baldrian, Petr; Cadotte, Marc W.; Štursová, Martina; Biedermann, Peter H.W.; Krah, Franz-Sebastian & Bässler, Claus
  
• Molecular identification and enzymatic profiling of Trypodendron (Curculionidae: Xyloterini) ambrosia beetle-associated fungi of the genus Phialophoropsis (Microascales: Ceratocystidaceae). Fungal Ecology, 38, 89-97.
  Lehenberger, Maximilian; Biedermann, Peter H.W. & Benz, J. Philipp
  
• Pathogen defence is a potential driver of social evolution in ambrosia beetles. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 286(1917), 20192332.
  Nuotclà, Jon A.; Biedermann, Peter H. W. & Taborsky, Michael
  
• Cooperative Breeding in the Ambrosia Beetle Xyleborus affinis and Management of Its Fungal Symbionts. Frontiers in Ecology and Evolution, 8.
  Biedermann, Peter H. W.
  
• Cycloheximide-Producing Streptomyces Associated With Xyleborinus saxesenii and Xyleborus affinis Fungus-Farming Ambrosia Beetles. Frontiers in Microbiology, 11.
  Grubbs, Kirk J.; Surup, Frank; Biedermann, Peter H. W.; McDonald, Bradon R.; Klassen, Jonathan L.; Carlson, Caitlin M.; Clardy, Jon & Currie, Cameron R.
  
• Ecology and Evolution of Insect–Fungus Mutualisms. Annual Review of Entomology, 65(1), 431-455.
  Biedermann, Peter H.W. & Vega, Fernando E.
  
• Evidence for Succession and Putative Metabolic Roles of Fungi and Bacteria in the Farming Mutualism of the Ambrosia Beetle Xyleborus affinis. mSystems, 5(5).
  Ibarra-Juarez, L. A.; Burton, M. A. J.; Biedermann, P. H. W.; Cruz, L.; Desgarennes, D.; Ibarra-Laclette, E.; Latorre, A.; Alonso-Sánchez, A.; Villafan, E.; Hanako-Rosas, G.; López, L.; Vázquez-Rosas-Landa, M.; Carrion, G.; Carrillo, D.; Moya, A. & Lamelas, A.
  
• Four mycangium types and four genera of ambrosia fungi suggest a complex history of fungus farming in the ambrosia beetle tribe Xyloterini. Mycologia, 112(6), 1104-1137.
  Mayers, Chase G.; Harrington, Thomas C.; Mcnew, Douglas L.; Roeper, Richard A.; Biedermann, Peter H. W.; Masuya, Hayato & Bateman, Craig C.
  
• On interactions, associations, mycetangia, mutualists and symbiotes in insect-fungus symbioses. Fungal Ecology, 44, 100909.
  Vega, Fernando E. & Biedermann, Peter H.W.
  
• Social Beetles. Encyclopedia of Social Insects, 1-8.
  Biedermann, Peter H. W. & Nuotclà, Jon A.
  
• Ethanol-Enriched Substrate Facilitates Ambrosia Beetle Fungi, but Inhibits Their Pathogens and Fungal Symbionts of Bark Beetles. Frontiers in Microbiology, 11.
  Lehenberger, Maximilian; Benkert, Markus & Biedermann, Peter H. W.
  
• Habitat Quality Determines Dispersal Decisions and Fitness in a Beetle – Fungus Mutualism. Frontiers in Ecology and Evolution, 9.
  Nuotclà, Jon Andreja; Diehl, Janina Marie Christin & Taborsky, Michael
  
• Microbial Drivers of Sociality – from Multicellularity to Animal Societies. Frontiers Research Topics. Frontiers Media SA.
  McMahon, Dino; Biedermann, Peter H. W.; Rohlfs, Marko & Meunier, Joël (Eds.)
  
• Nutrient-Poor Breeding Substrates of Ambrosia Beetles Are Enriched With Biologically Important Elements. Frontiers in Microbiology, 12.
  Lehenberger, Maximilian; Foh, Nina; Göttlein, Axel; Six, Diana & Biedermann, Peter H. W.
  
• Recent advances toward the sustainable management of invasive Xylosandrus ambrosia beetles. Journal of Pest Science, 94(3), 615-637.
  Gugliuzzo, Antonio; Biedermann, Peter H. W.; Carrillo, Daniel; Castrillo, Louela A.; Egonyu, James P.; Gallego, Diego; Haddi, Khalid; Hulcr, Jiri; Jactel, Hervé; Kajimura, Hisashi; Kamata, Naoto; Meurisse, Nicolas; Li, You; Oliver, Jason B.; Ranger, Christopher M.; Rassati, Davide; Stelinski, Lukasz L.; Sutherland, Roanne; Tropea, Garzia Giovanna ... & Biondi, Antonio
  
• Enhancing the structural diversity between forest patches—A concept and real‐world experiment to study biodiversity, multifunctionality and forest resilience across spatial scales. Global Change Biology, 29(6), 1437-1450.
  Müller, Jörg; Mitesser, Oliver; Cadotte, Marc W.; van der Plas, Fons; Mori, Akira S.; Ammer, Christian; Chao, Anne; Scherer‐Lorenzen, Michael; Baldrian, Petr; Bässler, Claus; Biedermann, Peter; Cesarz, Simone; Claßen, Alice; Delory, Benjamin M.; Feldhaar, Heike; Fichtner, Andreas; Hothorn, Torsten; Kuenzer, Claudia; Peters, Marcell K. ... & Eisenhauer, Nico
  
• Evolutionary ecology of the bark beetlesIps typographusandPityogenes chalcographus. Bulletin of Entomological Research, 113(1), 1-10.
  Schebeck, Martin; Schopf, Axel; Ragland, Gregory J.; Stauffer, Christian & Biedermann, Peter H. W.
  
• First experimental evidence for active farming in ambrosia beetles and strong heredity of garden microbiomes. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 289.
  Diehl, Janina M. C.; Kowallik, Vienna; Keller, Alexander & Biedermann, Peter H. W.
  
• Mycangia Define the Diverse Ambrosia Beetle–Fungus Symbioses. The Convergent Evolution of Agriculture in Humans and Insects, 105-142.
  Mayers, Chase G.; Harrington, Thomas C. & Biedermann, Peter H. W.
  
• Comparing the succession of microbial communities throughout development in field and laboratory nests of the ambrosia beetle Xyleborinus saxesenii. Frontiers in Microbiology, 14.
  Diehl, Janina M. C.; Keller, Alexander & Biedermann, Peter H. W.
  
• Diversity of beetles and associated microorganisms. Frontiers Research Topics.
  Fukatsu, Takema; Biedermann, Peter H. W. & Salem, Hassan (Eds.)
  
• Fidelity or love the one you're with? Biotic complexity and tradeoffs can drive strategy and specificity in beetle‐fungus by‐product mutualisms. Ecology and Evolution, 13(7).
  Six, Diana L. & Biedermann, Peter H. W.
  
• Friend or foe: Ambrosia beetle response to volatiles of common threats in their fungus gardens. Symbiosis, 89(3), 353-358.
  Diehl, Janina M. C.; Kassie, Denicia & Biedermann, Peter H. W.
  
• Highly Diverse Cuticular Hydrocarbon Profiles but No Evidence for Aggression Towards Non-kin in the Ambrosia Beetle Xyleborinus Saxesenii.
  MELET, Antoine; LEIBOLD, Viesturs; SCHMITT, Thomas & BIEDERMANN, Peter
  
• Know When You Are Too Many: Density-Dependent Release of Pheromones During Host Colonisation by the European Spruce Bark Beetle, Ips typographus (L.). Journal of Chemical Ecology, 49(11-12), 652-665.
  Frühbrodt, Tobias; Du, Baoguo; Delb, Horst; Burzlaff, Tim; Kreuzwieser, Jürgen & Biedermann, Peter H. W.
  
• Verbenone—the universal bark beetle repellent? Its origin, effects, and ecological roles. Journal of Pest Science, 97(1), 35-71.
  Frühbrodt, Tobias; Schebeck, Martin; Andersson, Martin N.; Holighaus, Gerrit; Kreuzwieser, Jürgen; Burzlaff, Tim; Delb, Horst & Biedermann, Peter H. W.
  
• Volatiles of fungal cultivars act as cues for host-selection in the fungus-farming ambrosia beetle Xylosandrus germanus. Frontiers in Microbiology, 14.
  Gugliuzzo, Antonio; Kreuzwieser, Jürgen; Ranger, Christopher M.; Tropea, Garzia Giovanna; Biondi, Antonio & Biedermann, Peter H. W.