Kohlweißlinge verwenden zwei Darmenzyme für maximale Flexibilität bei der Deaktivierung von Senfölbomben

Das berichten Forscher des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena gemeinsam mit Kollegen der Universitäten Stockholm und Tokio in einer neuen Studie PNAS dass Larven des Kohlweißlings zwei Darmenzyme verwenden, um die Senfölbombe, das wichtigste chemische Abwehrsystem ihrer Wirtspflanzen, effektiv zu entschärfen.

Kohlweißlinge scheinen in der Lage zu sein, die verschiedenen Glucosinolate, Abwehrstoffe des Kohls und verwandter Pflanzen, gezielt anzugreifen und durch einen fein abgestimmten Einsatz ihrer Entgiftungsenzyme unschädlich zu machen. Mithilfe von Genom-Editing-Techniken konnten die Forscher die Funktion der einzelnen Enzyme demonstrieren und ihre Wirksamkeit bestätigen.

Kreuzblütler wie Kohl, Raps, Meerrettich oder Senf haben eine spezielle Verteidigungsstrategie gegen Pflanzenfresser, die als „Senfölbombe“ bezeichnet wird. Sie speichern Glucosinolate als Abwehrstoffe, die mit Myrosinase-Enzymen reagieren, wenn Raupen fressen, also wenn Pflanzengewebe geschädigt wird. Die Myrosinasen spalten die Glucosinolate und dadurch entstehen giftige Senföle. Der scharfe Geschmack von Senf und Meerrettich ist das Ergebnis der Senfölbombe.

Forscher um Yu Okamura und Heiko Vogel vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena haben nun die Deaktivierung der Senfölbombe durch den Kohlweißling, einen wichtigen Schädling an Kohlpflanzen, genauer untersucht.

Frühere Arbeiten identifizierten zwei Raupenenzyme, die eine zentrale Rolle bei der Entgiftung spielen, und die Gene, die sie codieren: das NSP-Enzym (Nitrilspezifiziererprotein), das die potenzielle Senfölbombe manipuliert, um ungiftige Nitrile anstelle von giftigen Senfölen zu produzieren, und das MA-Enzym (Hauptallergen), von dem angenommen wurde, dass es auch für das Überleben von Raupen der Weißen Kohlfliege auf Kreuzblütlern wichtig ist.

Die NSP- und MA-Gene sind Schwestergene und haben sich jeweils aus einem Darmprotein unbekannter Funktion entwickelt, das in vielen Schmetterlingsarten vorkommt. Beide Enzyme kommen ausschließlich in Kohlweißlingen und anderen Arten der Familie Pieridae (Weißer Schmetterling) vor, deren Wirtspflanzen Glucosinolate enthalten.

„Wir haben uns gefragt, ob beide Enzyme für die Entgiftung von Glucosinolaten und die Fitness der Insekten wichtig sind. Immerhin haben frühere Studien gezeigt, dass verwandte Schmetterlingsarten, die sich nicht mehr von Pflanzen mit Glucosinolaten ernähren, die Enzyme im Laufe der Evolution verloren haben. Dies deutet darauf hin, dass es offenbar kostspielig ist.“ für Insekten, um die Enzymaktivität in Abwesenheit dieser Pflanzenabwehr aufrechtzuerhalten. Außerdem wollten wir wissen, ob sich die Funktion der beiden Enzyme je nach Zusammensetzung der Glucosinolate in verschiedenen Kreuzblütlern unterscheidet“, fasst Heiko Vogel die Ausgangsfragen der Studie zusammen.

Entscheidend für das Testen der Funktion der NSP- und MA-Gene war die Genom-Editierungstechnik CRISPR-Cas9, die es den Forschern ermöglichte, in ihren Experimenten Raupen zu verwenden, denen entweder das NSP-Gen, das MA-Gen oder beide fehlten. Somit fehlten diesen Raupen auch die entsprechenden Enzyme zur Entgiftung von Glucosinolaten. Anschließend wurden Pflanzen mit unterschiedlichen Gehalten an Glucosinolaten in Fütterungsversuchen verwendet, um die Entwicklung der Raupen zu überprüfen.

Raupen, denen nur eines der beiden Enzyme fehlte, konnten auf Pflanzen mit hohen Konzentrationen der Abwehrstoffe noch überleben, obwohl ihr Wachstum eingeschränkt war. Raupen, bei denen beide Gene ausgeschaltet waren, konnten jedoch nicht mehr auf ihren natürlichen Wirtspflanzen wachsen und überleben.

„Diese Ergebnisse waren überraschend, da vor allem die Rolle des MA-Enzyms bei der Interaktion zwischen Kohlweißling und Wirtspflanze bisher unklar war“, sagt Erstautor Yu Okamura.

Für Kohlweißling-Raupen sind also beide Enzyme, NSP und MA, wichtig, um die Senfölbombe ihrer Wirtspflanze zu entschärfen. Da sich NSP und MA in ihrer Entgiftungskapazität gegenüber verschiedenen Glucosinolaten unterscheiden, können Raupen die Aktivierung der NSP- und MA-Gene abhängig vom Glucosinolatprofil ihrer Wirtspflanze feinabstimmen.

Wenn Raupen eines der Enzyme fehlt, wachsen sie langsamer, aber der Grad der Wachstumshemmung hängt von den in den Wirtspflanzen vorhandenen Glucosinolaten ab. „Mit einer Vielzahl von Erkennungs-, Regulations- und Entgiftungsmechanismen stimmen Kohlweißlinge genau ab, wie sie verschiedene Senfölbomben aus dem Spektrum ihrer Wirtspflanzen entschärfen, und zeigen eine Sensibilität sowohl für pflanzliche Glucosinolatprofile als auch für ihre Aktivierung“, sagt Heiko Vogel.

Durch den Einsatz von Genom-Editing-Techniken zeigt die Studie, dass sowohl NSP als auch MA Raupen des Kohlweißlings ermöglichen, hochflexibel auf Senfölbomben zu reagieren, was entscheidend dafür ist, dass sich die Insekten an ein breiteres Spektrum von Kreuzblütlern anpassen können.

„Wir glauben, dass unsere Arbeit die Bedeutung der Entstehung solcher Gene für pflanzenfressende Insekten im Wettrüsten mit der chemischen Abwehr ihrer Wirtspflanzen unterstreicht. Der Wettbewerb zwischen Insekten und ihren Wirtspflanzen umfasst mehr als das bloße Vorhandensein chemischer Abwehr- und Entgiftungsmechanismen Die Regulation und Aktivierung von Entgiftungsenzymen stellen ebenfalls Schlüsselkomponenten komplexer Wechselwirkungen dar und erklären den evolutionären Erfolg dieser Schadinsekten“, fasst Yu Okamura zusammen.