Aktivierung von Pflanzentoxinen durch herbivore Insekten

• Antragstellerin: Professorin Dr. Meret Huber, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Physiologie der Tiere ; Ökologie und Biodiversität der Tiere und Ökosysteme, Organismische Interaktionen ; Organismische Interaktionen, chemische Ökologie und Mikrobiome pflanzlicher Systeme
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 422213951

Toxische Sekundärmetabolite sind von zentraler Bedeutung für die Verteidigung der Pflanzen gegen Herbivore. Viele Toxine werden als inaktive Vorstufen, so genannte Protoxine, gespeichert, und werden bei der Zerstörung von Gewebe durch räumlich getrennte Enzyme aktiviert. Merkwürdigerweise sind es nicht immer die Enzyme der Pflanzen, welche die Protoxine aktivieren: in vielen Fällen scheinen diese Stoffe von Verdauungsenzymen der Herbivoren gespalten zu werden. Bis jetzt sind die genetischen Grundlagen und die ökologischen Auswirkungen dieses Phänomens wenig verstanden.In meiner bisherigen Arbeit untersuchte ich die Interaktion zwischen dem Löwenzahn (Taraxacum officinale agg.) und dessen Haupt-Fressfeind, der Larve des Maikäfers (Melolontha melolontha). Diese Experimente führten zur Identifizierung des Taraxinsäure-ß-D-Glukose-Esters (TA-G) als Hauptresistenzfaktor des Löwenzahns und zeigten, dass M. melolontha positive Selektion auf die Konzentration von TA-G in der Natur ausübt. Meine neusten, unveröffentlichten Daten zeigen, dass TA-G im Darm der Maikäferlarve sehr rasch durch Insekten-ß-Glukosidasen gespalten wird. Mithilfe Transkriptom-Analysen identifizierte ich 19 M. melolontha-ß-Glukosidasen, deren Expressionsmuster mit demjenigen der TA-G Deglykosylierung übereinstimmt. Obwohl erste Experimente darauf hinweisen, dass TA-G ein Protoxin ist, dessen Hydrolisierung zur Formation des toxischeren Aglykons führt, bleibt der Einfluss der Degykolosierung auf die Larve unklar.Basierend auf dem neusten Stand der Technik und den vorläufigen Resultaten schlage ich eine Reihe von Experimenten vor, um drei wichtige offene Fragen bezüglich der Rolle von Herbivoren-Verdauungsenzymen für die Aktivierung von Pflanzenprotoxinen zu beantworten: 1) Welche Enzyme deglykosylieren TA-G im Darm der M. melolontha Larve? 2) Was ist der Einfluss der TA-G Deglykosylierung durch die Darm-assoziierten β-Glukosidasen auf Fitnessparameter und auf das Verhalten der Herbivoren? 3) Haben TA-G aktivierende Enzyme noch weiter primäre Funktionen?Um diese Fragen zu beantworten werde ich alle 19 M. melolontha ß-Glukosidasen in einem Insektenexpressionssystem (High Five Zellen) exprimieren und auf ihre TA-G Deglykosylierungs-Aktivität prüfen. Danach werden aktive TA-G β-Glukosidasen mit einer effizienten Methode der RNA-Interferenz gehemmt und der Effekt der Hemmung der TA-G ß-Glukosidasen auf Fitnessparameter und auf das Verhalten der Herbivoren beim Frass auf dem Wildtyp und den TA-G defizienten Löwenzahnpflanzen evaluiert. Schlussendlich werden wir alternative Substrate der identifizierten TA-G ßGlukosidasen in vitro ermitteln und den potentiellen Nutzen dieser Verdauungsenzyme für die Herbivoren mit Hilfe der etablierten Gen-Silencing-Plattform in Kombination mit Fütterungsexperimenten mit artifizieller Diät untersuchen. Dieses Vorgehen wird Aufschluss geben auf einen wichtigen, aber wenig untersuchten Aspekt in der Interaktion von Pflanzen mit ihren Fressfeinden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen