Ökologische Relevanz und molekulare Regulation von Antibiotika-produzierenden bakteriellen Symbionten in Lagriinae Käfer

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Kaltenpoth, seit 4/2021
• Fachliche Zuordnung: Ökologie und Biodiversität der Tiere und Ökosysteme, Organismische Interaktionen ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie ; Systematik und Morphologie der Tiere
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 416606594

Symbiotische Interaktionen mit Mikroorganismen sind eine treibende Kraft für die Evolution von Eukaryoten. Neben Ernährungssymbiosen treten Assoziationen mit einer Verteidigungsfunktion in der Natur häufig auf, über deren Ökologie und Evolution allerdings bislang wenig bekannt ist. Käfer der Unterfamilie Lagriinae leben in Symbiose mit mehreren Burkholderia gladioli-Stämmen, die von der Mutter auf die Nachkommen übertragen werden und die Eier des Wirtes durch die Produktion von mindestens fünf verschiedenen bioaktiven Sekundärmetaboliten gegen antagonistische Schimmelpilze schützen. Anhand dieses Modellsystems ist das Ziel dieses Projektes, die Ökologie, Evolution und molekulare Grundlagen von Verteidigungssymbiosen besser zu verstehen. Das erste Teilprojekt konzentriert sich auf die ökologische Relevanz der Symbionten-vermittelten Verteidigung während der Entwicklung des Wirts und in verschiedenen Lagriinae-Arten. Durch Gen-Expressionsanalysen, chemische Analytik, bildgebende Massenspektrometrie (MSI), Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) und Biotests werden wir die Dynamik der Antibiotika-Produktion charakterisieren und deren Bedeutung während der empfindlichen Häutungsphasen des Insekts untersuchen. Weiterhin werden chemische Untersuchungen der Symbionten verschiedener Lagriinae-Arten wichtige Information über die Rolle verschiedener Antibiotika in der Evolution dieser Symbiose liefern. Das zweite Teilprojekt wird die molekulare Regulation der Verteidigungssymbiose untersuchen und Faktoren von Wirt und Symbiont aufdecken, die entscheidend für die Etablierung und Erhaltung der Assoziation sind. Transkriptom-Daten zu wichtigen Zeitpunkten während der Besiedlung des Wirtes durch die Symbionten werden zwischen symbiotischen und symbiontenfreien Käfern verglichen, um Kandidaten-Gene zu identifizieren, die wichtig für die Regulation der Symbionten sein könnten. Die funktionale Charakterisierung dieser Gene wird über „Knockdown“ mittels RNAi und anschließende Beobachtung der Effekte auf die Etablierung der Symbiose mittels qPCR und FISH erfolgen. Um wichtige Eigenschaften der Bakterien für die Assoziation mit dem Insekt zu identifizieren, wird eine Transposon-Mutantenbibliothek erstellt und zur Infektion symbiontenfreier Käfer genutzt. Die Mutanten, die sich erfolgreich im Wirt etablieren, werden mit der Ursprungs-Bibliothek verglichen, um essentielle Gene zur Besiedlung und zum Überleben im Insekt zu ermitteln. Darüber hinaus wird das genetische Repertoire der erfolgreichen Mutanten mit dem der natürlichen Symbiontenstämme verglichen, um zu beurteilen, ob die Bedeutung Symbiose-relevanter Gene die Prävalenz bestimmter Stämme in der Symbiontengemeinschaft widerspiegelt. Beide Projekte werden wichtige Beiträge zu unserem generellen Verständnis von Schutz-Symbiosen leisten und wertvolle Einblicke in die Evolution und Stabilität symbiotischer Interaktionen liefern, an denen mehrere Symbiontenstämme beteiligt sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemalige Antragstellerin: Dr. Laura V. Florez, bis 3/2021