Die unterschiedlichen Geruchswelten weiblicher und männlicher Seidenspinner

Ein Forscherteam des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie hat zusammen mit Kollegen der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg den Geruchssinn weiblicher Seidenspinner untersucht. Mit elektrophysiologischen Methoden fanden sie heraus, dass die Antenne, die bei Männchen auf die Erkennung weiblicher Pheromone spezialisiert ist, bei Weibchen besonders empfindlich auf den Geruch von Seidenraupenkot reagiert.

Bestandteile dieses Dufts erwiesen sich als abschreckend für begattete Weibchen und ermöglichten es ihnen wahrscheinlich, bei der Eiablage der Konkurrenz um ihren eigenen Nachwuchs auszuweichen. Die verantwortlichen sensorischen Neuronen befinden sich in haarähnlichen Strukturen, den sogenannten Sensillen.

Bei Männchen erfolgt der Nachweis von Pheromonen in einem langen Typ dieser Sensillen, während die langen Sensillenneuronen der Weibchen den Geruch von Larvenkot erkennen. Der Geruch des Maulbeerbaums, der einzigen Wirtspflanze der Seidenraupe, wird hingegen von den sensorischen Neuronen der weiblichen Seidenspinner in mittellangen Sensillen wahrgenommen.

Die Studie ist veröffentlicht im Tagebuch Verfahren der Royal Society B: Biologische Wissenschaften.

Für weibliche Seidenspinner riecht die Welt anders als für männliche

Beim Menschen ist der Geruchssinn bei Männern und Frauen ähnlich entwickelt, allerdings haben Frauen etwas mehr Riechneuronen und daher eine etwas empfindlichere Nase. Im Großen und Ganzen nehmen sie jedoch die gleichen Gerüche wahr. Männliche Falter hingegen leben in einer völlig anderen Geruchswelt als ihre weiblichen Artgenossen. Beispielsweise sind die Fühler männlicher Seidenspinner – ihre „Nase“ – hochspezialisiert, um weibliche Sexualpheromone zu erkennen, während Weibchen nicht einmal ihre eigenen Pheromone riechen können.

Auf den Antennen befinden sich Tausende von Sensillen, haarähnlichen Strukturen, die in morphologisch und funktionell unterschiedliche Gruppen eingeteilt werden können. Die bei Männern am häufigsten vorkommenden Sensillen sind lang und enthalten zwei sensorische Neuronen. Einer ist darauf spezialisiert, Bombykol, das Sexualpheromon von Weibchen, zu erkennen, während der andere auf Bombykal, einen Bestandteil des Pheromons anderer Mottenarten, reagiert. Während Bombykol für männliche Seidenspinner äußerst attraktiv ist, wirkt Bombykal abschreckend.

„Da weibliche Seidenspinner ihre eigenen Pheromone nicht riechen können, wurde lange angenommen, dass ihre langen Sensillen auch eine ganz bestimmte Funktion haben, die nur bei Weibchen zu finden ist. Nach der Paarung besteht die einzige Aufgabe des Weibchens darin, eine geeignete Pflanze zu finden, auf die es es legen kann.“ „Es wurde daher vermutet, dass die langen Sensillen von Weibchen darauf spezialisiert sind, den attraktiven Geruch von Maulbeerbäumen zu erkennen. Diese Annahme wollten wir testen“, sagt Sonja Bisch-Knaden, die eine Projektgruppe in der Abteilung für Evolutionäre Neuroethologie leitet das Max-Planck-Institut für chemische Ökologie.

Lange Sensillen weiblicher Seidenspinner erkennen Seidenraupenkot

Für die Ergebnisse der Studie waren elektrophysiologische Methoden wie die Messung der Aktivität einzelner Sensillen (Single-Sensillum-Aufzeichnung) von entscheidender Bedeutung. Die Wissenschaftler testeten nicht nur viele verschiedene Einzelgerüche, sondern auch natürliche Geruchsmischungen, wie sie beispielsweise in den Blättern des Maulbeerbaums, im Kot von Raupen, im Körpergeruch von Motten oder im Mekonium, einer Flüssigkeit, die Motten beim Schlüpfen absondern, vorkommen.

All diese Gerüche, die in der Umwelt des Seidenspinners eine ökologische Rolle spielen, wurden gesammelt. Das Forschungsteam konnte auch die Expression von Geruchsrezeptoren dem entsprechenden Sensillum-Typ zuordnen.

„Wir waren überrascht, als wir herausfanden, dass Neuronen in der langen Sensille weiblicher Seidenspinner nicht wie erwartet darauf spezialisiert waren, den Geruch der Wirtspflanze zu erkennen, sondern dass eines der beiden Neuronen in der langen Sensille sehr empfindlich auf Gerüche wie Isovalerian reagierte.“ Säure und Benzaldehyd. Die Erkennung des Geruchs des Maulbeerblattes selbst erfolgt durch Neuronen in mittellangen Sensillen“, sagt Bisch-Knaden.

Isovaleriansäure und Benzaldehyd sind Geruchsbestandteile des Seidenraupenkots. Mithilfe eines einfachen Y-Labyrinth-Tests mit einem Eingangsarm, der sich in zwei Seitenarme teilt, durch die entweder ein Geruch oder saubere Luft (Kontrolle) eingeführt wird, konnte das Forschungsteam bei den ansonsten unbeweglichen Weibchen Verhaltensweisen hervorrufen, die Anziehung oder Abneigung ausdrückten. Beim Vergleich jungfräulicher und begatteter Weibchen wurden große Unterschiede deutlich.

Die Forscher zeigten, dass mit Raupenkot verbundene Gerüche bei jungfräulichen Weibchen keine spezifische Reaktion auslösten, auf begattete Weibchen jedoch eine abschreckende Wirkung hatten. Vermutlich hilft der Kotgeruch den Weibchen dabei, Maulbeerbäume zu meiden, die zum Zeitpunkt der Eiablage bereits voller Seidenraupen sind.

Auf der Suche nach dem männlichen Seidenspinner-Pheromon

Das Pheromon weiblicher Seidenspinner, Bombykol, wurde bereits 1959 chemisch charakterisiert – das erste Insektenpheromon überhaupt. Bisher konnten Wissenschaftler kein männliches Gegenstück identifizieren. Die aktuelle Studie liefert Hinweise, aber keine Antworten auf die Frage nach einem männlichen Pheromon.

„Das zweite Neuron in der langen Sensille der Weibchen ist hochspezifisch für (+)-Linalool, einen Geruch, der bereits als Bestandteil des männlichen Pheromons bei anderen Schmetterlingsarten identifiziert wurde. Im Körpergeruch männlicher Seide konnte jedoch kein Linalool gefunden werden.“ und (+)-Linalool allein hatte in Verhaltensexperimenten weder eine anziehende noch eine abstoßende Wirkung auf weibliche Seidenspinner“, sagt Bisch-Knaden.

Besonderheiten der Geruchswahrnehmung von Seidenspinnern

Bei der Untersuchung der molekularen Grundlagen der Geruchserkennung bei weiblichen Seidenspinnern fiel den Forschern eine Besonderheit in der räumlichen Organisation der Geruchsrezeptoren auf. Es gibt zwei Familien von Geruchsrezeptoren: die evolutionär älteren ionotropen Rezeptoren (IRs), die hauptsächlich Säuren erkennen, und die Geruchsrezeptoren (ORs), die ein breites Spektrum chemisch unterschiedlicher Verbindungen erkennen. Basierend auf Studien an der Modellfliege Drosophila melanogaster wurde lange angenommen, dass Neuronen, die IRs oder ORs exprimieren, normalerweise in verschiedenen Arten von Sensillen vorkommen und dass IRs nie in langen Sensillen vorkommen.

Beim Seidenspinner hingegen befinden sich ein IR-Korezeptor für den Nachweis von Säuren und der obligate OR-Korezeptor beide in denselben Neuronen in der langen Sensille. Diese Koexpression von IRs und ORs erhöht die chemische Empfänglichkeit der sensorischen Neuronen. Von beiden Rezeptortypen erkannte Gerüche werden gemeinsam verarbeitet und weitergeleitet, was für die eindeutige Erkennung ökologisch wichtiger Geruchsmischungen von Vorteil sein könnte.

„Es ist erstaunlich, dass die Forschung zum Geruchssinn von Insekten weiterhin überraschende Ergebnisse liefert. Unsere Studie zeigt, dass es wichtig ist, mehr als nur ein Modell zu untersuchen“, sagt Bill Hansson, Leiter der Abteilung für Evolutionäre Neuroethologie.

Diese Koexpression der beiden Rezeptortypen fanden die Forscher auch in der langen Sensille männlicher Seidenspinner, weshalb sie davon ausgehen, dass der Nachweis von Säuren auch bei Männchen eine wichtige ökologische Rolle spielen könnte. Weitere Untersuchungen werden dies nun klären.