Studie zeigt, dass Gerüche in Gehirnringen von Wanderheuschrecken kodiert sind

In einer Studie veröffentlicht im Journal ZelleEin Forscherteam vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena beschreibt erstmals, wie Gerüche im Antennallobus, dem Riechzentrum im Gehirn von Wanderheuschrecken, kodiert werden.

Mithilfe gentechnisch veränderter Heuschrecken und bildgebender Verfahren konnten die Forscher eine ringförmige Darstellung von Gerüchen im Gehirn nachweisen. Das Muster der olfaktorischen Kodierung im Antennallobus ist in allen Entwicklungsstadien der Heuschrecke gleich. Ein besseres Verständnis der olfaktorischen Kodierung im Heuschreckenhirn soll helfen, mehr darüber zu erfahren, wie das Verhalten dieser Insekten, insbesondere ihr Schwärmen, gesteuert wird.

Die Wanderheuschrecke Locusta migratoria ist ein wirtschaftlich bedeutender Schädling, der im Alten Testament als achte der zehn biblischen Plagen nach Ägypten kam, „um alle Pflanzen zu verzehren, die wachsen“.

In Europa ist die Wanderheuschrecke selten, in Afrika und Asien verursacht sie jedoch nicht nur Schäden in Millionenhöhe, sondern hat auch tödliche Auswirkungen auf die Bevölkerung, bedroht deren Nahrung und Existenz. Die Heuschrecken treten in zwei Phasen auf: als Einzeltiere und in Schwärmen. Am gefürchtetsten sind die Insekten, wenn sie in großen Schwärmen auftreten und ganze Ernten vernichten.

Wanderheuschrecken unterscheiden sich von anderen Insekten in der anatomischen Struktur ihres Riechhirns, dem Antennallobus, der Geruchsinformationen von der Antenne empfängt und verarbeitet. Der Antennallobus der Heuschrecke hat eine einzigartige und unkonventionelle neuronale Architektur mit mehr als 2.000 sphärischen funktionellen Riecheinheiten, den Glomeruli, während die meisten anderen Insekten nur zwischen 20 und 300 Glomeruli im Antennallobus haben.

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie interessieren sich dafür, wie Insekten Gerüche wahrnehmen und im Gehirn verarbeiten. Vor allem aber wollen sie wissen, wie sich die Geruchswahrnehmung auf ihr Verhalten auswirkt.

„Unser Ziel war es, das seit langem bestehende Rätsel zu lösen, wie Gerüche in der extrem großen Population von Glomeruli, den strukturellen und funktionellen Einheiten im Antennallobus der Wanderheuschrecken, kodiert werden. Diese hochkomplexe Architektur des Antennallobus der Heuschrecke wird seit Jahrzehnten beobachtet, aber die zugrundeliegenden Mechanismen der Geruchskodierung blieben aufgrund des Mangels an geeigneten Methoden ein Rätsel“, sagt Xingcong Jiang, Erstautor der Studie.

Die Einführung der CRISPR/Cas9-Methode stellte für die Forscher einen methodischen Durchbruch dar, da sie die Entwicklung der ersten transgenen Wanderheuschrecken ermöglichte, die den genetisch kodierten Kalziumsensor GCaMP in olfaktorischen sensorischen Neuronen exprimierten. GCaMP ist ein Protein, das fluoresziert, wenn es Kalzium bindet, das in Zellen freigesetzt wird, wenn diese aktiv sind.

Mithilfe der funktionellen 2-Photonen-Kalzium-Bildgebung konnten die Wissenschaftler die räumlichen Aktivierungsmuster für ein breites Spektrum ökologisch relevanter Gerüche in allen sechs Entwicklungsstadien der Wanderheuschrecke messen und kartieren.

„Unsere Ergebnisse enthüllen eine ungewöhnliche funktionelle ringförmige Organisation des Antennallos, die aus spezifischen glomerulären Clustern besteht. Diese glomeruläre Anordnung, die wir durch gezielte genetische Expression eines gut charakterisierten Geruchsrezeptors bestätigen konnten, ist während der gesamten Entwicklung vorhanden, und das Muster der olfaktorischen Kodierung innerhalb der glomerulären Population ist in allen Entwicklungsstadien, vom ersten Nymphenstadium bis zur erwachsenen Heuschrecke, konsistent“, fasst Silke Sachse, Leiterin der Forschungsgruppe Olfaktorische Kodierung am Max-Planck-Institut, eine der Studienleiterinnen, zusammen.

Die Wanderheuschrecke ist kein Modellorganismus wie die Taufliege Drosophila melanogaster. Die Gentransformation stellte daher für die Forscher eine große Herausforderung dar. Es müssen viele Parameter untersucht werden, was den Prozess sehr zeitaufwändig macht. Das ungewöhnlich große Gehirnvolumen der Heuschrecke erschwert zudem die Aufnahme und Analyse der Bilddaten.

„Wir sind die erste Gruppe weltweit, die die ortsspezifische Knock-in-Methode erfolgreich bei Heuschrecken angewendet hat. Aus der Literatur wissen wir, dass die Erfolgsrate bei dieser Art der Transgenese sehr gering ist, aber es ist uns gelungen“, sagt Xingcong Jiang.

Interessanterweise spiegelt die räumliche Kodierung der Gerüche im Antennallobus der Heuschrecke eher deren chemische Struktur wider als deren Valenz – ob angenehm oder abstoßend. Bei Fliegen ist die Valenz der Gerüche beispielsweise bereits im Antennallobus repräsentiert, wobei angenehme Gerüche andere Strukturen aktivieren als unangenehme.

„Wir haben beobachtet, dass Gerüche bestimmter chemischer Klassen ein bestimmtes Muster hervorrufen: Aromatische Verbindungen mit ähnlicher chemischer Struktur, aber entgegengesetzter Verhaltensbedeutung lösen beispielsweise stärkere Reaktionen in den Randbereichen des Antennallos aus. Wir schlussfolgern daraus, dass die Repräsentation der Geruchsvalenz nicht im Antennallos kodiert ist, sondern in höheren Gehirnzentren wie dem Pilzkörper und dem lateralen Horn“, sagt Bill Hansson, Direktor der Abteilung für evolutionäre Neuroethologie und einer der Hauptautoren.

Die Ringstruktur des olfaktorischen Codes stellt eine anatomische Besonderheit der Wanderheuschrecke dar. Allerdings ist dieser Kodierungsmechanismus nicht unbedingt auf andere Heuschreckenarten übertragbar.

„Wir fragen uns, ob diese ringförmige Struktur eine schlechtere Alternative oder eine bessere Lösung mit Vorteilen gegenüber der glomerulären Anordnung ist, die wir bei Fliegen gefunden haben. Zukünftige Studien, die die Regeln der Geruchskodierung bei anderen Insektenarten untersuchen, werden zeigen, ob andere Heuschreckenarten ein ähnliches Kodierungsmuster entwickelt haben“, sagt Silke Sachse, die bereits weitere Studien im Sinn hat.

Wie Insekten Gerüche wahrnehmen und verarbeiten und wie sich die Geruchswahrnehmung letztlich auf ihr Verhalten auswirkt, ist wichtig für ein tieferes Verständnis der ökologischen Interaktionen von Insekten mit ihrer Umwelt. Dies kann zum Beispiel dazu beitragen, die Bekämpfung von Nutzpflanzenschädlingen wie Wanderheuschrecken zu optimieren.

„Wir glauben, dass ein besseres Verständnis der Geruchskodierungsmechanismen im primären Riechzentrum des Heuschreckengehirns unser Wissen über die neuronale Modulation, die geruchsvermitteltem Verhalten wie der Bildung von Heuschreckenschwärmen zugrunde liegt, deutlich vertiefen wird“, sagt Bill Hansson.