Die Entdeckung von Boy offenbart eine hochkomplexe Interaktion zwischen Pflanzen und Insekten

Als der achtjährige Hugo Deans in der Nähe eines Ameisennests unter einem Baumstamm in seinem Hinterhof eine Handvoll BB-großer Gegenstände entdeckte, dachte er, es handele sich um eine Art Samen. Sein Vater, Andrew Deans, Professor für Entomologie an der Penn State, wusste jedoch sofort, was sie waren – Eichengallen oder von Insekten ausgelöste Pflanzenwucherungen. Was er nicht sofort erkannte, war, dass die Gallen Teil einer ausgeklügelten Beziehung zwischen Ameisen, Wespen und Eichen waren, deren Entdeckung ein Jahrhundert des Wissens über die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Insekten auf den Kopf stellen würde.

Rückblickend sagt Hugo, jetzt 10, dass er „dachte, es wären Samen, und ich war aufgeregt, weil ich nicht wusste, dass Ameisen Samen sammeln. Ich dachte immer, Ameisen würden Essensreste und Sachen im Haus fressen. Dann wurde ich noch aufgeregter Wenn [my dad] sagte mir, sie seien Gallen, weil [my dad] war so aufgeregt. Ich war überrascht, dass Ameisen Gallen sammeln würden, denn warum sollten sie das tun?“

Laut Andrew Deans, der auch Direktor des Frost Entomological Museum der Penn State ist, sind viele Interaktionen zwischen Pflanzen und Insekten gut dokumentiert. Zum Beispiel ist seit langem bekannt, dass die meisten „Cynipid“ -Wespenarten Eichen dazu bringen, schützende Gallen – oder Wucherungen – um ihre Larven zu produzieren, um die Sicherheit ihrer sich entwickelnden Nachkommen zu gewährleisten. Darüber hinaus produzieren bestimmte Pflanzen – darunter Blutwurz (Sanguinaria canadensis), eine in Nordamerika beheimatete Wildblume – an ihren Samen essbare Anhängsel, sogenannte Elaiosomen, um Ameisen anzulocken, die dann die Samen verteilen, indem sie sie zurück in ihre Nester tragen. Dieses letztere Beispiel wird als „Myrmecochorie“ bezeichnet – oder Samenverbreitung durch Ameisen.

„In der Myrmecochorie erhalten Ameisen ein wenig Nahrung, wenn sie die Elaiosomen fressen, und die Pflanzen bekommen ihre Samen in einem feindfreien Raum verteilt“, erklärt Deans. „Das Phänomen wurde erstmals vor über 100 Jahren dokumentiert und wird Biologiestudenten allgemein als Beispiel für eine Pflanzen-Insekten-Interaktion gelehrt.“

Die neue Forschung des Teams – initiiert durch Hugos Entdeckung von Gallen, die in der Nähe eines Ameisennests liegen – enthüllte eine viel komplexere Art von Myrmecochorie, eine, die die Wechselwirkung zwischen Wespen-Eichen-Galle und essbarer Anhängsel und Ameise kombiniert.

„Zunächst stellten wir fest, dass diese Gallen zwar normalerweise eine fleischige, blassrosa ‚Haube‘ enthalten, die Gallen in der Nähe des Ameisennests diese Mützen jedoch nicht hatten, was darauf hindeutet, dass sie möglicherweise von den Ameisen gefressen wurden“, sagt Deans. „Letztendlich führte uns dies zu der Entdeckung, dass Gallwespen Eichen manipulieren, um Gallen zu produzieren, und dann einen weiteren Schritt unternehmen und Ameisen manipulieren, um die Gallen in ihre Nester zu bringen, wo die Wespenlarven vor Gallenfressern geschützt werden können oder andere Vorteile erhalten. Dies Vielschichtige Interaktion ist überwältigend; es ist fast schwer, sich darauf einzulassen.“

Die Ergebnisse des Teams wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Amerikanischer Naturforscher.

Untersuchung der Interaktion

Um die Wechselwirkung besser zu verstehen, führten die Forscher eine Reihe von Feld- und Laborexperimenten durch. Um festzustellen, ob die Eichengallenkappen – die die Forscher kapéllos (griechisch für „Kappe“) nannten – wie Eliaosomen tatsächlich essbar und für Ameisen attraktiv waren, beobachtete das Team direkt Eichengallen in Ameisenkolonien in freier Wildbahn in Western New York und Zentral-Pennsylvania. Zusätzlich stellten sie Videokameras auf, um zusätzliche Interaktionen zwischen Tier und Galle zu erfassen. An beiden Orten sahen sie Ameisen, die Gallen zu ihren Nestern transportierten. Innerhalb der Nester wurden alle essbaren Kappen entfernt, während die Gallen selbst intakt blieben.

In einer zweiten Reihe von Experimenten, um festzustellen, ob Kapéllos ähnlich wie Elaiosome funktionieren, untersuchten die Forscher die Vorliebe der Ameisen für Eichengallen gegenüber Blutwurzsamen. Sie richteten Köderstationen für Samen/Galle ein und beobachteten, dass Ameisen die gleiche Anzahl von Samen und Gallen entfernten, was darauf hindeutet, dass es keinen Unterschied in der Ameisenpräferenz gibt.

Als nächstes führten die Wissenschaftler ein Laborexperiment durch, um zu dokumentieren, ob Ameisen aufgrund ihrer nahrhaften Kapéllos Gallen sammelten. Sie richteten drei Petrischalenbehandlungen ein – die ganze Gallen, Gallenkörper mit entfernten Kapéllos oder Kapéllos mit entfernten Gallenkörpern enthielten – zusammen mit einer Kontrollschale, die eine andere Art von Galle enthielt, die keinen essbaren Anhang hatte. Sie führten Ameisen in die Petrischalen ein. Sie fanden heraus, dass sich das Ameiseninteresse zwischen den Kontrollgallen und den kapello-freien Behandlungsgallen nicht unterschied, denen beide essbare Komponenten fehlten. Im Gegensatz dazu war das Interesse der Ameisen an Gallen mit intakten Kapéllos und an Kapéllos allein größer als an Kontrollgallen.

„Wir haben gezeigt, dass Gallen mit Kappen für Ameisen viel attraktiver sind als Gallen ohne Kappen, und dass die Kappen selbst auch für die Ameisen attraktiv sind“, sagt John Tooker, Professor für Entomologie. „Dies deutet darauf hin, dass sich die Kappen entwickelt haben müssen, um Ameisen anzulocken.“

Schließlich fragte das Team: „Was ist in Kapéllos, das sie für Ameisen so attraktiv macht?“ Laut Tooker ist die Chemie der Elaiosome gut untersucht und bekannt dafür, dass sie nahrhafte Fettsäuren enthalten. Daher verglich das Team die chemische Zusammensetzung von Kapéllos mit Elaiosomen und stellte fest, dass auch Kapéllos gesunde Fettsäuren enthielten.

„Die Fettsäuren, die in Gallenkappen und Eliosomen reichlich vorhanden sind, scheinen tote Insekten nachzuahmen“, sagt Tooker. „Ameisen sind Aasfresser, die versuchen, alles zu finden und zu schnappen, was geeignet ist, um es in ihre Kolonie zurückzubringen, also ist es kein Zufall, dass sowohl die Gallenkappen als auch die Elaiosome Fettsäuren enthalten, die typisch für tote Insekten sind.“

Was war zuerst da?

Die letzte und laut den Forschern faszinierendste Frage, der das Team nachging, lautete: „Was war in der Evolutionszeit zuerst da? Die Elaiosom-Interaktion oder die Gallen-Interaktion?“

„Angesichts der Tatsache, dass Myrmecochorie vor mehr als einem Jahrhundert beschrieben wurde und gut erforscht und in Schulen gelehrt wurde, könnte man annehmen, dass die Elaiosom-Interaktion zuerst kam, aber diese Annahme kann aus mehreren Gründen falsch sein“, sagt Robert J. Warren II, Professor für Biologie, SUNY Buffalo State.

Ein Grund, erklärte er, ist, dass myrmecochore Pflanzen wie Blutwurzeln nur einen sehr kleinen Prozentsatz aller Pflanzenarten ausmachen und daher möglicherweise nicht genügend Nahrungsressourcen liefern, um die natürliche Selektion bei Ameisen voranzutreiben. Eichengallen sind jedoch weit verbreitet. Tatsächlich, sagt Warren, waren sie einst so reichlich vorhanden, dass sie regelmäßig zur Viehmast verwendet wurden.

„Wenn diese Gallen so reichlich vorhanden waren und diese Taktik entwickelt haben, diese Kappe vor Tausenden von Jahren zu züchten, könnte das ein starker Treiber für die natürliche Selektion bei Ameisen gewesen sein“, sagt Warren. „Es könnte sein, dass Ameisen lange daran gewöhnt waren, Gallen mit Kappen aufzunehmen, und als dann Frühlingswildblumen begannen, Samen zu produzieren, die zufällig einen essbaren Anhängsel hatten, waren Ameisen bereits dafür prädisponiert, Dinge mit einem Fettsäureanhang aufzuheben.“

Deans merkte an, dass das Team kürzlich ein Stipendium für die Durchführung phylogenetischer Arbeiten erhalten habe, um weiter zu untersuchen, welche dieser Wechselwirkungen in der Evolutionszeit zuerst auftraten.

„Zu verstehen, wie sich diese Wechselwirkungen entwickelt haben und wie sie funktionieren, hilft dabei, die Komplexität des Lebens auf der Erde ein bisschen mehr zu entwirren“, sagt er.

Über das Gefühl, zu einer so wichtigen Entdeckung beizutragen, sagt Hugo: „Ich wette, andere Kinder haben ähnliche Entdeckungen gemacht, aber nie gewusst, wie wichtig sie sein könnten. Ich bin wirklich glücklich und stolz zu wissen, dass ich Teil einer wichtigen wissenschaftlichen Entdeckung war. Es ist seltsam zu glauben, dass nur ein paar Ameisen, die etwas sammelten, was ich für Samen hielt, tatsächlich ein wichtiger wissenschaftlicher Durchbruch war.“

Auf die Frage, ob er später wie sein Vater Entomologe werden möchte, da er bereits seine ersten wissenschaftlichen Entdeckungen gemacht hat, sagt Hugo: „Nicht wirklich. Ich möchte anders sein … einzigartig … wenn ich groß bin. “