Project

Discipline

ambrosia beetle; in-vitro assays; insect agriculture; sociality; symbiosis; mutualism; fungi; bacteria; nitrogen fixation; fungiculture

Lead
Die Abundanz und Funktion von Bakterien und Pilzen in Nestern pilzzüchtender Käfer Mutualistic microbes, their abundances and functions within nests of fungus-farming weevils
Lay summary
Tierischen Ackerbau kennen Biologen vor allem von pilzzüchtenden Ameisen in den Tropen. Weitgehend unbekannt ist, dass auch hierzulande Ambrosiakäfer Pilzgärten im Holz abgestorbener Bäume kultivieren. Für die Forschung von besonderem Interesse sind dabei die Mechanismen der Pilzzucht. Offenbar unterdrücken die Käfer erfolgreich das Wachstum von Schimmelpilzen, die – in geringer Dichte – immer in den Pilzgärten vorkommen. Welche Massnahmen sie dabei ergreifen, ist noch unerforscht. Interessant ist hierbei besonders, wie die Käfer die Schimmelpilze daran hindern, Resistenzen gegenüber diesen Massnahmen zu entwickeln – und das seit 60 Millionen Jahren. Die Nahrungspilze scheinen hingegen durch die Käfer im Wachstum angeregt zu werden, wiederum ist unklar wie. Um diese Fragen zu klären, ist ein genaues Verständnis des Käferverhaltens, der chemischen Interaktionen zwischen Käfern und Pilzen sowie der anderen Symbionten in den Käfernestern erforderlich. Während meines ersten SNF-Postdocs habe ich die Pilz- und Bakteriengemeinschaften von zwei heimischen Ambrosiakäferarten charakterisiert. Diese Analysen zeigen, dass die Gärten der Käfer mehrere Nahrungspilze beherbergen, und zwar vermutlich in Sukzession, was darauf hindeutet, dass die Pilze unterschiedliche Funktionen für die Käfer haben. Die Bakteriengemeinschaft wird von Arten dominiert, die vermutlich fähig sind Stickstoff wiederzuverwerten und möglicherweise als „Dünger“ dienen. In diesem Projekt werde ich die Sukzession der Pilzgemeinschaft genau untersuchen und überprüfen ob/wie sich diese durch experimentelle Manipulation der Käferpräsenz beeinflussen lässt. Des Weiteren möchte ich herausfinden, wie die Ambrosiakäfer ihre Pilze im Wachstum anregen und dazu bringen nahrhafte Fruchtkörper zu produzieren: Dafür werde ich Käfersekrete und Bakterien auf die Pilzgärten auftragen und den Effekt beobachten. Im letzten Teil des Projektes soll die Rolle symbiontischer Bakterien für den Stickstoffkreislauf innerhalb der Pilzgärten untersucht werden.

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Last update: 29.12.2013

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Fungus farming insects are one of the most exciting examples for the success of symbioses in nature. Ants, termites and ambrosia beetles started to grow fungi for food about 40-60 million years before the rise of human agriculture. Given the insects’ long-term success in agriculture and pest-management, it is promising to examine their sustainable solutions for possible applications in human agriculture. Research on leaf-cutter ants has already revealed the use of nitrogen fixing bacteria as fungus fertilizers and the application of antibiotics produced by symbiotic bacteria to control co-evolved garden parasites.My overall research aim during my time as a postdoctoral researcher at the Max Planck Institute for Chemical Ecology (MPI-CE) is to unravel the behavioural and chemical mechanisms of fungus-farming by ambrosia beetles. The result will strongly shape our understanding of how beetles sustainably culture fungi for millions of years and will possibly provide novel ideas for biological control of invasive weevils. In the first part of this project (SNF Early Postdoc.Mobility), I already characterized the microbial communities of two focal ambrosia beetles and determined major bacterial and fungal players. Subsequently, I will test if and how some symbionts defend beetle nests against pathogenic moulds. Preliminary results show that (i) multiple ambrosia fungi are transmitted and simultaneously co-occur within fungus gardens of Xyleborinus saxesenii and Xylosandrus germanus; (ii) ambrosia fungi appear in gardens in succession, suggesting different roles and (iii) a major part of the associated bacterial communities are made up by bacterial groups possibly having either nitrogen-recycling or nitrogen-fixing capabilities. These symbionts may be involved in the beetle´s ability to enhance growth in their crop fungi, which I plan to investigate in the project I propose here.In this follow-up project, I will investigate the succession of ambrosia fungi and moulds within gardens over time and if/how experimental removal of farming beetles influences fungal succession using target-specific primers and quantitative PCR (qPCR). Furthermore, I will focus on synergistic effects between beetles and associated symbionts. Specifically, I will quantify and test experimentally how ambrosia beetles can trigger the fruiting of their cultivars and whether this effect involves the application of other symbionts. Finally, I want to investigate the role of nitrogen-recycling and nitrogen-fixing bacteria in this nitrogen limited environment.Dr. Kaltenpoth’s group at the MPI-CE is among the world-leading institutions to study insect-microbial symbioses. Many state-of-the-art molecular and chemical techniques, which I want to learn or deepen my knowledge in, belong to the standard repertoire of my colleagues there. Thus, I cannot think of a better environment to conduct high-profile research and to grow as an interdisciplinary scientist, professionally and personally.