Laut einer neuen Studie nutzen die Larven und erwachsenen Formen des Baumwollkapselwurms (Helicoverpa armigera) unterschiedliche Zuckererkennungssysteme, um ihre Anforderungen an die Nahrungsauswahl zu erfüllen.
Heute als überprüfter Vorabdruck veröffentlicht in eLifeDie Studie wird von den Herausgebern als wichtig beschrieben und bietet überzeugende Beweise dafür, dass zwei unterschiedliche Geschmacksrezeptoren für die Zuckerwahrnehmung der Veränderung der Ernährungspräferenz zwischen der Larve und dem erwachsenen Baumwollkapselwurm zugrunde liegen.
Die Ergebnisse könnten in Kombination mit weiteren Untersuchungen einen neuen Ansatz zur Schädlingsbekämpfung vorschlagen, um die Ernteerträge weltweit zu steigern.
Der Baumwollkapselwurm ist ein berüchtigter, weltweit verbreiteter Pflanzenschädling, der jedes Jahr zu wirtschaftlichen Verlusten in Höhe von etwa 3 Milliarden US-Dollar führt. Im jugendlichen Larvenstadium ernährt sich der Baumwollkapselwurm hauptsächlich von Blättern, Blütenknospen und Früchten von Pflanzen, die eine relativ geringe Zuckerkonzentration aufweisen. Als Erwachsener ernährt er sich hauptsächlich vom zuckerreichen Nektar der Pflanzen.
Frühere Studien haben gezeigt, dass der Baumwollkapselwurm über externe gustatorische sensorische Neuronen (GSNs) verfügt – spezialisierte Nervenzellen, die für die Erkennung und Weiterleitung von Geschmackssignalen an das Gehirn verantwortlich sind –, die empfindlich auf Saccharose und Fruktose reagieren. Bei Larven befinden sich diese GSNs in speziellen Strukturen rund um ihren Mund und bei Erwachsenen in ihren Antennen, den Fußwurzeln (den Beinsegmenten, die am weitesten vom Körper entfernt sind) und einer speziellen Nahrungsstruktur namens Rüssel, die ihnen dient eine ähnliche Funktion wie die menschliche Zunge.
„Die Ernährung von Larven und Erwachsenen des Baumwollkapselwurms variiert dramatisch in der Vielfalt und Konzentration an Zuckern. Saccharose ist der Hauptzucker, der in Pflanzengeweben vorkommt, während Nektar hauptsächlich Saccharose, Fructose und Glucose enthält“, erklärt Hauptautor Shuai-Shuai Zhang, a Ph.D. Student am State Key Laboratory of Integrated Management of Pest Insects and Rodents, Institut für Zoologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Peking, China.
„Wir wollten die molekulare Grundlage für die Ernährungsumstellung zwischen den beiden Lebensphasen des Baumwollkapselwurms charakterisieren.“
Zhang und Kollegen verglichen zunächst die elektrophysiologischen und Verhaltensreaktionen von Larven und erwachsenen Baumwollkapselwürmern mit sieben in Pflanzen vorkommenden Zuckern, darunter Saccharose, Fructose und Glucose. Sie bestätigten, dass sowohl Larven als auch Erwachsene über zuckerdetektierende GSNs verfügen, dass sich ihr Reaktionsprofil, ihre Intensität und ihre Empfindlichkeit jedoch deutlich unterschieden.
Die Zucker-GSNs in Larven reagierten stark und mit hoher Empfindlichkeit auf Saccharose – zwischen 100 und 1.000 Mal empfindlicher auf Saccharose als adulte GSNs, die auf Saccharose, Fucose und Fructose mit geringerer Intensität und Empfindlichkeit reagierten. Diese hohe Empfindlichkeit der Larven kann ihnen helfen, Saccharose in den zuckerarmen Geweben von Pflanzen zu lokalisieren.
Als nächstes analysierte das Team die Expression und Funktion von neun Kandidatengenen für den Zucker-Geschmacksrezeptor (GR) in den Geschmacksorganen von Larven und Erwachsenen; Gr4–Gr12 inklusive. Da die Funktion von Gr9 bekannt ist, testeten sie die Funktion anderer acht GRs mithilfe von Xenopus-Oozyten – den wenig genutzten Eiern des Afrikanischen Krallenfrosches, die in der wissenschaftlichen Forschung häufig verwendet werden, da sie groß und relativ leicht zu manipulieren sind.
Das Team fügte DNA-Sequenzen für jedes GR-Gen in eine einzelne Eizelle ein und testete dann die Reaktion jeder Eizelle auf 11 verschiedene Zuckerverbindungen. Die meisten Eizellen zeigten keine Reaktion, aber die Eizellen, die Gr10 und Gr6 exprimierten, reagierten auf einen oder mehrere Zucker, was auf deren Rolle bei der Nahrungserkennung hinweist. Es wurde festgestellt, dass Gr10 spezifisch auf Saccharose abgestimmt ist, während Gr6 auf Saccharose, Fucose und Fructose reagiert.
Schließlich verwendeten Zhang und Kollegen CRISPR/Cas9-DNA-Modifizierungstechniken, um zwei homozygote Mutanten von Baumwollkapselwürmern für Gr6 bzw. Gr10 zu erzeugen – was bedeutet, dass sie nicht mehr die Funktion des Gr6- oder Gr10-Gens besitzen.
Das Team versuchte, etwaige Veränderungen in den elektrophysiologischen und Verhaltensreaktionen der mutierten Larven und Erwachsenen auf Zucker im Vergleich zu typischen Baumwollkapselwürmern zu identifizieren. Anhand ihrer Analyse stellte das Team fest, dass Gr10 eine Schlüsselrolle bei der Saccharoseaufnahme durch die Zucker-GSNs in Larven spielt und die Präferenz der Larven für Saccharose vermittelt. Andererseits ist Gr6 für die Erkennung von Saccharose, Fucose und Fructose in den GSNs des erwachsenen Baumwollkapselwurms verantwortlich.
Zusammengenommen zeigen die Ergebnisse, dass Larven und erwachsene Baumwollkapselwürmer unterschiedliche Geschmacksrezeptorgene verwenden, um Saccharose in Lebensmitteln zu erkennen. Larven verwenden hauptsächlich Gr10, um die geringe Menge an Saccharose in Pflanzengeweben nachzuweisen, während Erwachsene hauptsächlich Gr6 verwenden, um eine Vielzahl von Zuckern mit hohem Gehalt, einschließlich Saccharose in Nektar, nachzuweisen.
Sowohl die Autoren als auch die Herausgeber weisen darauf hin, dass es zur gründlichen Aufklärung der Mechanismen der Zuckerwahrnehmung und zur Entwicklung eines neuen Ansatzes zur Schädlingsbekämpfung entscheidend ist, zunächst die Funktion aller an der Saccharosewahrnehmung beteiligten GRs umfassend zu untersuchen.
„Wir haben die molekularen Grundlagen der Saccharoseaufnahme in den ewigen Geschmacksneuronen des Baumwollkapselwurms beschrieben und herausgefunden, dass unterschiedliche Geschmacksrezeptoren dem Unterschied in der Nahrungsauswahl zwischen dem Erwachsenen- und dem Larvenstadium zugrunde liegen“, schließt der leitende Autor Chen-Zhu Wang, a Professor am State Key Laboratory of Integrated Management of Pest Insects and Rodents, Institut für Zoologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften.
„GRs, die eng mit Gr10 und Gr6 verbunden sind, kommen auch in anderen Motten- und Schmetterlingsarten vor. Wir spekulieren daher, dass ähnliche Zuckererkennungsmechanismen auch bei diesen Arten existieren könnten, was durch zukünftige Forschung überprüft werden sollte.“
Mehr Informationen:
Shuai-Shuai Zhang et al., Saccharose-Geschmacksrezeptoren unterscheiden sich im Larven- und Erwachsenenstadium einer Motte, eLife (2023). DOI: 10.7554/eLife.91711.1