SYMBeetle-Projekt untersucht die von Symbionten gestützte Biosynthese der Kutikula als Schlüsselmechanismus, der möglicherweise zum evolutionären Erfolg von Käfern beitrug
10.12.2018
Mit einer Förderung des Europäischen Forschungsrats (European Research Council – ERC) wird der Ökologe Prof. Dr. Martin Kaltenpoth Symbiosen zwischen Käfern und Bakterien erforschen, bei der die Bakterien einen wesentlichen Beitrag zum Aufbau der Kutikula und damit zum Schutz der Käfer gegen Austrocknung und Feinde leisten. Solche Symbiosen haben sich in der Entwicklungsgeschichte mehrmals unabhängig voneinander gebildet und waren vermutlich ein zentraler Faktor, der den Käfern eine Ausbreitung in neue ökologische Nischen möglich machte. Kaltenpoth erhält für das Forschungsprojekt einen ERC Consolidator Grant des Europäischen Forschungsrats in Höhe von zwei Millionen Euro für die Dauer von fünf Jahren. Der ERC Consolidator Grant zählt zu den höchstdotierten Fördermaßnahmen der EU.
Käfer verfügen über einen besonders harten Panzer, der aus Chitin und Proteinen besteht, die miteinander quervernetzt sind. Die Vernetzung erfolgt über Moleküle, die auf eine einzige Aminosäure zurückzuführen sind: Tyrosin. Diese Aminosäure ist indirekt auch für die Braunfärbung des Außenskeletts verantwortlich, ohne Tyrosin könnten die Käfer keinen so dicken, harten und dunklen Panzer bilden. Erst in den letzten Jahren wurde festgestellt, dass es Käfergruppen gibt, bei denen Symbionten die Tyrosinproduktion übernommen haben. Es handelt sich dabei um spezielle Bakterien, die Tyrosin erzeugen und die essenzielle Aminosäure ihren Wirten für den Aufbau der Kutikula bereitstellen. "Symbiosen zwischen Insekten und Mikroorganismen kommen in der Natur häufig vor", erklärt Martin Kaltenpoth. "Sie spielen oft eine wichtige Rolle für die Ökologie und die Evolution der jeweiligen Wirtsinsekten."
Bereitstellung von Tyrosin als wichtiger evolutionärer Faktor
Weshalb die Käfer bei einer solch wichtigen Funktion wie der Tyrosinversorgung von einer Symbiose abhängig wurden, ist bisher ungeklärt. Ein Grund für die Kooperation mit Mikroorganismen könnte die Spezialisierung bestimmter Käfer auf Pflanzen gewesen sein. Immerhin sind viele Käferarten, die als Getreideschädlinge gelten, wie der Getreideplattkäfer oder der Getreidekapuziner, unter den Wirten. Diese Tiere leben von pflanzlicher Nahrung, während sich Käfer ursprünglich von Tieren ernährt haben und so über tierisches Eiweiß die wichtige Aminosäure Tyrosin erhielten. Ein anderer Grund wäre vielleicht ein Habitatwechsel, der die Ausbildung einer härteren Kutikula nötig machte, was dann mit Unterstützung von Symbionten gelang.
Möglicherweise geht das Phänomen auch auf mehrere Ursachen zurück, zumal es sich in mindestens sieben Käferfamilien unabhängig voneinander entwickelt hat – und zwar bereits vor sehr langer Zeit. Nach Einschätzung von Kaltenpoth kamen die Symbiosen zwischen den Tyrosin-produzierenden Bakterien und ihren Wirten bereits vor mehreren hundert Millionen Jahren zustande. Kaltenpoth wird zusammen mit seinem Team, insbesondere Dr. Tobias Engl, untersuchen, wann, wie und warum die Symbiosen genau entstanden sind. Die Biologen werden ihre Verbreitung rekonstruieren und prüfen, ob noch weitere Käfergruppen mit diesen Symbionten leben. Außerdem geht das Team der Frage nach, wie die Symbiose auf molekularer Ebene reguliert wird und wie Käfer und Symbionten interagieren. Mithilfe von Fossilien, die der Kalibrierung dienen, soll ferner der genetische Stammbaum der Wirtstiere erstellt werden. "Unser Vorhaben ist von ökologischer und evolutionärer Bedeutung, weil wir versuchen, die Symbiosen vom Molekül bis zur Bedeutung der Partnerschaften für Käfer in der Natur zu verstehen", so Kaltenpoth.
Das Projekt "Symbiont-assisted cuticle biosynthesis as a key innovation contributing to the evolutionary success of beetles" (SYMBeetle) wird, so die Erwartungen, unser Verständnis von Mikroorganismen als wichtige Moderatoren bei der Entstehung von pflanzenfressenden Käfern und bei der Ausbreitung von Käfern in Trockengebieten verändern – zwei Faktoren, die für das Aufkommen von Schädlingen an landwirtschaftlichen Nutzpflanzen und Lagerwaren von entscheidender Bedeutung sind.
ERC Consolidator Grants für insgesamt drei JGU-Projekte
Martin Kaltenpoth, 1977 in Hagen geboren, hat an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg Biologie studiert und anschließend promoviert. Als Postdoc war er an der Universität Regensburg und der University of Utah in Salt Lake City, USA tätig, bevor er 2009 als Forschungsgruppenleiter an das Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena wechselte. Seit 2015 ist Kaltenpoth Professor für Evolutionäre Ökologie an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz.
Der ERC Consolidator Grant ist eine der höchstdotierten Fördermaßnahmen der EU für einzelne Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Der Europäische Forschungsrat fördert damit herausragende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler 7 bis 12 Jahre nach der Promotion, wenn das eigene Forschungsprogramm ausgebaut wird. Zusätzlich zur wissenschaftlichen Exzellenz müssen die Antragsteller den bahnbrechenden Ansatz ihres Projekts und seine Machbarkeit nachweisen, um die Förderung zu erhalten.
Außerdem hat der Europäische Forschungsrat zwei weitere JGU-Anträge genehmigt: Ein Projekt zur Entwicklung eines neuen Ansatzes in der optischen Spektroskopie von Dr. Mustapha Laatiaoui und ein weiteres zur Herstellung vollsynthetischer Impfstoffe von Prof. Dr. Pol Besenius. Mit insgesamt drei ERC Consolidator Grants gehört die JGU zusammen mit der LMU München zu den erfolgreichsten German U15-Universitäten.