Antagonistische Wechselwirkungen pflanzlicher Abwehrstoffe

Eine kombinierte Abwehr verschiedener chemischer Abwehrstoffe könnte zu einer negativen Wechselwirkung und gegenseitigen Entgiftung führen, so Forscher des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in einer neuen Studie, die in erscheint Proceedings of the National Academy of Sciences, über die wilde Tabakart Nicotiana Attenuata und einen ihrer spezialisierten Pflanzenfresser. Chemische Analysen von Kot ergaben, dass Larven des Tabakschwärmers Manduca sexta in der Lage sind, Bestandteile eines Abwehrstoffes abzuspalten und damit einen anderen zu entgiften. Tabakpflanzen haben aber auch eine Gegenstrategie entwickelt, um die gegenseitige Entgiftung ihrer Abwehrkräfte zu minimieren: Sie vermeiden es, die beiden an der Entgiftung beteiligten Stoffe gleichzeitig in hohen Konzentrationen zu produzieren.

In der chemischen Schädlingsbekämpfung, aber auch in der medizinischen Behandlung von Krankheiten empfiehlt es sich oft, auf eine Kombinationstherapie verschiedener Mittel zu setzen, um den besten Erfolg zu erzielen. Viele Packungsbeilagen von Arzneimitteln weisen jedoch darauf hin, dass es Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Wirkstoffen geben kann, die die Wirkung eines Arzneimittels nicht nur verstärken, sondern auch abschwächen oder sogar aufheben können. Auf solch einen unerwarteten Effekt sind Forscher des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena nun bei der Untersuchung von Abwehrmechanismen im Wildtabak Nicotiana attenua gestoßen. Sie zeigten, dass Larven des Tabakschwärmers Manduca sexta in der Lage sind, zwei verschiedene pflanzliche Abwehrkräfte zu nutzen, um der schädlichen Wirkung des anderen entgegenzuwirken.

Die Studie basiert auf chemischen Analysen von Raupenkot. „Wir konnten bisher unbekannte chemische Substanzen im Kot der Raupen identifizieren. Wir fanden jedoch heraus, dass sie strukturelle Merkmale zweier pflanzlicher Abwehrstoffe gemeinsam hatten. Daher waren die zentralen Fragen für uns: Können wir die Komponenten isolieren und ihre Struktur nachweisen? und vor allem: Können wir zeigen, von welchen spezialisierten Signalwegen sie ausgehen und welche Funktion sie haben?“ sagt Erstautor Sven Heiling.

Die Forscher nutzten vergleichende Massenspektrometrie-Analysen der Pflanzenmetabolite und des Kots der Raupen, die sich von diesen Pflanzen ernährt hatten. Sie konnten zeigen, dass Manduca sexta-Larven in der Lage sind, zwei verschiedene bekannte pflanzliche Abwehrstoffe – Chlorogensäure, einen Phenolester der Kaffee- und Chinasäure, und 17-Hydroxygeranyllinalool-Diterpenglykoside, kurz HGL-DTGs – nach der Einnahme umzuwandeln Blattgewebe. Die Bindung von Chlorogensäure an bestimmte Zucker der HGL-DTG-Moleküle macht die beiden Ausgangsverbindungen weniger wirksam gegen Pflanzenfresser.

Diese Ergebnisse wurden durch Fütterungsexperimente mit Raupen an Blättern von Pflanzen gestützt, die so modifiziert worden waren, dass einer der beiden Abwehrmechanismen deaktiviert wurde. So konnten die Forscher nicht nur zeigen, dass die im Larvenkot nachgewiesenen Verbindungen von Chlorogensäuren und HGL-DTGs stammen, die mit der Pflanzennahrung aufgenommen wurden, sondern auch, dass Raupen, die mit Blättern gefüttert wurden, die keine der beiden Abwehrkräfte bilden konnten, besser wuchsen als Raupen, in denen nur solche Blätter vorhanden waren die Produktion von HGL-DTGs war inaktiviert worden.

Die Forscher gingen jedoch noch einen Schritt weiter und wollten wissen, wie Pflanzen mit diesem Dilemma in der Natur umgehen. Angesichts der langen Evolutionsgeschichte des „Wettrüstens“ zwischen Pflanzen und Insekten fragten sie sich, welche Antwort Tabakpflanzen auf die clevere Entgiftungsstrategie von Manduca sexta haben. Daher untersuchten sie die biochemischen Eigenschaften von Tabakpflanzen in verschiedenen natürlichen Lebensräumen. „Wir haben uns 183 natürliche Akzessionen angesehen, also Material von Nicotiana Attenuata, das zu bestimmten Zeiten an einem bestimmten Ort gesammelt wurde. Auffallend war, dass Pflanzen aus verschiedenen Lebensräumen anscheinend die Verbindungen auswählen, die für sie unerlässlich sind, um sich an ihre spezifische Umgebung anzupassen.“ und die Produktion der anderen Verbindungen unterdrücken. Dieses chemische Muster kann ihnen helfen, die gegenseitige Entgiftung bis zu einem gewissen Grad zu vermeiden“, sagt Co-Autor Jiancai Li.

Die Studie ist ein eindrucksvolles Beispiel für die Evolution pflanzlicher Abwehrkräfte einerseits und die Anpassungsprozesse eines auf die Ernährung dieser Pflanze spezialisierten Insekts wie des Tabakschwärmers andererseits. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass eine kombinierte Abwehr aus verschiedenen Abwehrstoffen von einem Pflanzenfresser so „sabotiert“ werden kann, dass sich zwei Wirkstoffe nach der Einnahme durch enzymatische Umwandlung gegenseitig entgiften. Vermutlich gibt es viele andere Beispiele in der Natur für die ausgeklügelten Entgiftungsstrategien, die von spezialisierten Pflanzenfressern eingesetzt werden. Allerdings sind solche Forschungsansätze wenig etabliert, weil es schwierig ist, chemische Veränderungen in Substanzen nach der Aufnahme durch Pflanzenfresser zu identifizieren.

Um Entgiftungsstrategien von Insekten aufzuklären, verwenden Ian Baldwin und seine Kollegen einen neuen Forschungsansatz namens Frassomik, der es ihnen ermöglicht, die chemische Umwandlung von Pflanzenmetaboliten im Insekt durch die Analyse ihres Kots zu beschreiben. Die Wissenschaftler erwarten, viele weitere ähnliche Beispiele aufzudecken – aufgrund neuer Fortschritte in der Massenspektrometrie sowie größerer Spektraldatenbanken und neuartiger Algorithmen zur Identifizierung ähnlicher Verbindungen. Sie wollen in einem nächsten Schritt herausfinden, welches Enzym Manduca sexta-Larven zur gegenseitigen Entgiftung der Pflanzenabwehr nutzen, und den evolutionären Ursprung dieses Enzyms genauer untersuchen.