Authors:	Kiefer, Julian Simon Thilo
Title:	Decoding symbioses in grain pest beetles : ecology, evolutionary history, and specificity of symbiont-mediated nutrient supplementation in Silvanidae and Bostrichidae (Coleoptera)
Online publication date:	15-Feb-2023
Year of first publication:	2023
Language:	english
Abstract:	Jeder einzelne Organismus interagiert mit mindestens einer oder mehreren anderen Arten. Wenn diese Beziehungen zwischen zwei (oder mehreren) Arten langfristig eng sind, wird sie als Symbiosen bezeichnet. Die Symbiose gilt als eine der wichtigsten Triebkräfte der Evolution, da sie die Entwicklung morphologische Anpassungen und neuer Fähigkeiten vorantreibt. Eine besondere Form der Symbiose findet sich zwischen Insekten, insbesondere Käfern, wo die Symbiose mit Bakterien ihnen den Zugang zu neuen Lebensräumen und Nahrungsquellen ermöglicht hat, zu denen sie ohne ihre symbiotischen Partner keinen Zugang gehabt hätten. Von Menschen eingerichtete Getreidelager sind von Natur aus sehr trockene Lebensräume und gleichzeitig bietet das Getreide auch nur eine sehr einseitige Nahrungsgrundlage – und dennoch wurden sie unter anderem von Käfern der Familie Silvanidae und Bostrichidae unabhängig voneinander für sich als Habitat erschlossen. Voraussetzung dafür war, dass Käfer beider Familien mit Symbionten aus der gleichen Gruppe der Flavobakterien eine Verbindung eingegangen sind, die es ihnen erst ermöglichte, sich weltweit als Schädlinge in Getreide und Holz zu verbreiten. In meiner Arbeit habe ich mit verschiedenen molekularbiologischen Methoden sowie experimentellen Ansätzen den Endosymbionten des Getreideplattkäfers Oryzaephilus surinamensis aus der Familie der Silvanidae untersucht. Über den Shikimatweg liefert der Symbiont Shikimatogenerans silvanidophilus (Bacteria: Bacteroidota) Vorstufen für die Aminosäure Tyrosin, welche der Wirt für seine Kutikulasynthese benötigt. Nach Kontakt mit Glyphosat, welches gezielt ein Enzym des Shikimatwegs inhibiert, kann Shikimatogenerans seinen Wirt nicht mehr mit diesem benötigten Nährstoff versorgen. Infolgedessen sinkt der Symbiontentiter ab oder der Symbiont geht vollständig verloren. Der gleiche Effekt ist zu beobachten, wenn der Wirt direkten Zugang zu Tyrosin über seine Nahrung hat. Neben Shikimatogenerans ist O. surinamensis auch mit dem Wolbachia-Stamm wSur infiziert. Wolbachia ist allgemein dafür bekannt die Reproduktion seines Wirts zu manipulieren. In O. surinamensis verursacht wSur zytoplasmatische Inkompatibilität, die zur Entwicklung weniger lebensfähiger Embryonen führt, die aus den Spermien von wSur negativen ♂- und Eizellen von wSur positiven ♀-Käfern hervorgegangen sind. Des Weiteren codiert das Genom von wSur für ein Gen, welches für Male-Killing in diversen Insekten verantwortlich ist. In Getreidelager-Populationen von O. surinamensis erfuhr die Gensequenz allerdings eine Frameshift-Mutation. Durch diese Mutation bricht die Translation zum Protein frühzeitig ab, dieses verliert seine funktionale Domäne und hat damit möglicherweise zur weit verbreiteten Besiedlung der Getreidelager beigetragen. Meine Analyse von 29 Spezies aus der Familie der Bostrichidae konnte aufzeigen, dass die gesamte Familie durchweg mit S. bostrichidophilus assoziiert ist. Zusätzlich besitzen nur Spezies der Genera Dinoderinae und Lyctinae den zweiten Endosymbionten Bostrichicola ureolyticus (Bacteria: Bacteroidota). Während Shikimatogenerans den Wirt auch hier über den Shikimatweg mit der Vorstufe zu Tyrosin versorgt, unterstützt Bostrichicola zusätzlich seinen Wirt, in dem er weitere Aminosäuren bereitstellen sowie Stickstoff recyceln kann. Eine Gegenüberstellung der Phylogenie von Wirt und Symbiont zeigt zudem ein hohes Maß an Co-Kladogenese. Eine Besonderheit ist bei dieser Untersuchung aufgefallen: der Endosymbiont S. bostrichidophilus des großen Kornbohrers Prostephanus truncatus ist in seinem Wirt in drei Stämme aufgeteilt. Die Gene für den Shikimatweg und auch die ribosomalen Proteine werden dabei von den drei verschiedenen Stämmen kodiert, die sich gegenseitig ergänzen, aber auch ein beträchtliches Maß an Redundanz in den kodierten Funktionen aufweisen. Die Ergebnisse dieser Arbeit unterstreichen die Bedeutung von Symbiosen, bei denen bakterielle Symbionten den Aufbau der Kutikula bei Insekten durch die Versorgung von Tyrosin unterstützten. Des Weiteren gibt sie Einsicht in die evolutionären Prozesse dieser seit Millionen von Jahren bestehende Lebensgemeinschaften, welche zu einer gegenseitigen Abhängigkeit zwischen Symbiont und Wirt geführt hat. Dies hat dazu geführt, dass der Kontakt zu Substanzen wie z.B. Glyphosat die Symbiose nachhaltig schädigen und gar zum Zusammenbruch bringen könnte - mit Hinblick auf den jüngsten Rückgang der Insektenpopulationen ein alarmierendes Szenario.
DDC:	570 Biowissenschaften 570 Life sciences 590 Tiere (Zoologie) 590 Zoological sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 10 Biologie
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-8647
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-d47b1aeb-99b0-4f99-b434-801250d9158b1
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	iv, 170 Seiten ; Illustrationen, Diagramme
Appears in collections:	JGU-Publikationen