Verdauungshelfer im Bauch – eine Mikrobe verhilft einem Käfer zu neuen Nahrungsquellen

Der Distelschildkäfer verfügt über ein höchst einfaches Mikrobiom – dominiert von einer einzelnen Bakterienart, die ihm wichtige Enzyme liefert, um seine Pflanzennahrung zu verdauen. Genetische Variationen bei der Mikrobe können dem Käfer noch weitere Vorteile bringen. Denn manche Stämme verfügen über ein zusätzliches Verdauungsenzym, die dem Käfer erlaubt, seinen Speiseplan auf eine größere Vielfalt an Pflanzenarten auszuweiten. Mit dieser Beobachtung liefert Hassan Salem, Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen, in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam jetzt einen Beweis dafür, wie ein Symbiont die Evolution seines Wirtes vorantreibt. Seine Ergebnisse veröffentlichte der Wissenschaftler in Current Biology.

Der menschliche Körper beherbergt etwa zehnmal so viele Mikroorganismen wie humane Zellen. Und das Mikrobiom, wie die Mikroben-WG genannt wird, hat einen entscheidenden Einfluss auf die Gesundheit und das Wohlbefinden. Sie schützen vor Krankheitserregern, unterstützen die Verdauung, trainieren das Immunsystem und beliefern den Organismus mit wertvollen Substanzen. „Wenn man nun aber das Wechselspiel zwischen Wirt und Mikrobiom untersuchen will, steht man im Regelfall vor dem Problem, dass man es mit hunderten oder sogar tausenden von verschiedenen Mikroorganismen zu tun hat“, sagt Hassan Salem vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen.

Salem interessiert sich für die grundlegenden Prinzipien der Koevolution in Symbiosen. Als Forschungsobjekt dient ihm der Distelschildkäfer (Cassida rubiginosa), ein leuchtend grüner, zirka 6 bis 7,5 Millimeter großer Käfer, der in weiten Teilen der Welt verbreitet ist. Das Besondere an dem Insekt: Sein Mikrobiom wird von einer einzelnen Bakterienart dominiert, Candidatus Stammera capleta, kurz Stammera. Und dieses Bakterium entscheidet mit darüber, welche Pflanzennahrung der Käfer verdauen kann. Weil Stammera für den Käfer von so großer Bedeutung ist, impfen die Weibchen ihre Eier nach der Ablage mit dem Bakterium an, um sicher zu stellen, dass auch die nächste Generation mit dem Symbionten ausgestattet ist.

Ohnehin haben pflanzenfressende Käfer – das sind ungefähr die Hälfte aller Käferarten auf der Erde – ihre Fähigkeit derartige Nahrung zu verdauen im Laufe der Evolution von Mikroorganismen erworben. Sie haben Gene von Bakterien und Pilzen übernommen, mit denen sie Enzyme herstellen, um etwa die Zellwände von Pflanzenzellen aufzubrechen.

„Darüber hinaus können Käfer auch zusätzliche Stoffwechselfähigkeiten durch geeignete Symbionten gewinnen“, erklärt Salem. Nach diesem Prinzip, so vermuten Wissenschaftler, gelingt es Käfern, neue Nahrungsquellen zu erschließen. Salem wollte nun wissen, welchen Einfluss Candidatus Stammera capleta darauf hat, welche Pflanzen sich der Käfer in den verschiedenen Verbreitungsgebieten als Nahrungsquelle zu eigen machen kann. Beeinflussen unterschiedliche Stoffwechseleigenschaften des Symbionten die Diät des Käfers?

Um dieser Frage nachzugehen, hat Salem die Genome von 13 Candidatus Stammera capleta-Stämmen analysiert und verglichen. „Interessanterweise waren die Genome über weite Teile hoch konserviert, was sich auch auf die Funktionalität auswirkt“, erklärt der Max-Planck-Wissenschaftler. So verfügten alle Bakterienstämme über ein Enzym namens Polygalacturonase, dessen Aufgabe es ist, Homogalacturonan zu spalten, das in Pflanzen am weitesten verbreitete Pektin. „In einigen Stämmen haben wir zusätzlich noch Gene für eine weiteres Pektin-spaltendes Enzym gefunden, Rhamnogalacturonan I“, so Salem. Das erlaubt es dem Wirt möglicherweise zusätzliche Pektine zu verdauen und dadurch seinen Speisezettel auf andere Pflanzenarten auszuweiten. Tatsächlich zeigte sich in weiteren Untersuchungen, dass nur Käfer, die Stammera-Varianten mit dem zusätzlichen Gen beherbergen, in der Lage sind, neben der angestammten Disteln auch Blätter von weiteren Pflanzen zu fressen.

Die zusätzlichen Eigenschaften des Symbionten beeinflussen demnach den Käfer, der sich neue Nahrungsquellen erschließt. Damit werden die genetischen Eigenschaften der Mikrobe zum evolutionären Motor für den Käfer – ein grundlegendes Prinzip, das wahrscheinlich auch bei der Evolution anderer pflanzenfressender Käfer eine Rolle spielt. Und letztlich mag eine derartige Koevolution auch bei Säugetieren bis hin zum Menschen stattgefunden haben – die sich so an veränderte Umweltbedingungen und ein anderes Nahrungsangebot anpassen oder sich zusätzliche Nährstoffquellen erschließen.

Hassan Salem warnt jedoch davor, zu einfach zu denken. Denn selbst beim simplen System von Distelschildkäfer und Stammera sei die Beziehung zwischen Wirt und Mikrobe nicht der einzige Motor der Evolution: „Es findet ja immer auch eine Koevolution zwischen Käfer und Nahrungspflanze statt, die das Gesamtgeschehen ebenfalls beeinflusst.“

An der Arbeit war ein internationales Wissenschaftlerteam aus den USA, Panama, Neuseeland und Japan sowie vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena beteiligt.

Originalveröffentlichung:

Salem H, Kirsch R, Pauchet Y, Berasategui A, Fukumori K, Moriyama M, Cripps M, Windsor D, Takema Fukatsu T, and Nicole M. Gerardo. Symbiont 1 digestive range reflects host plant breadth in herbivorous beetles. Current Biology Available online 4 June 2020 doi.org/10.1016/j.cub.2020.05.043

 

Wissenschaftlicher Kontakt:

Dr. Hassan Salem
Max-Planck-Forschungsgruppenleiter
e-Mail: hassan.salem(at)tuebingen.mpg.de
Tel.: 07071 601-1367