Project

Eine verbreitete Verteidigungsstrategie der Pflanzen gegen Fressfeinde besteht darin, dass Abwehrstoffe als harmlose Glykoside, d.h. in an Zucker gebundener Form, gespeichert werden und bei einem Angriff durch Abspaltung des Zuckers in giftige oder abschreckende Substanzen verwandelt werden. Nun können aber spezialisierte Pflanzenfresser diese Giftstoffe durch Wiederanfügen eines Zuckers (Re-Glykosylierung) inaktivieren und für ihre eigene Abwehr gegen Feinde einlagern. Unser Projekt möchte beitragen zu einem umfassenden Verständnis dieses Phänomens, der Glukomodulation, sowohl in Bezug auf die zugrundeliegenden biochemischen Mechanismen als auch im Hinblick auf seine ökologischen Konsequenzen. Dieses Ziel soll mittels eines interdisziplinären Ansatzes erreicht werden, wobei analytische Chemie, Biochemie, molekulare Physiologie und Ökologie kombiniert werden. Ein tritrophisches System im Boden, das bereits in einem früheren Sinergiaprojekt erforscht wurde, eignet sich in idealer Weise für diese Fragestellung und umfasst die folgenden Organismen: Maispflanzen, den westlichen Maiswurzelbohrer (Diabrotica virgifera) und dessen natürliche Feinde wie etwa entomopathogene Nematoden (Fadenwürmer). Benzoxazinoide (BXD) sind die wichtigsten chemischen Faktoren der Insektenresistenz von Maiswurzeln. Sie werden als Glukoside gespeichert und aktiviert durch Glukose-abspaltende Enzyme der Pflanzen. Die spezialisierten Wurzelbohrerlarven sind gegenüber BXDs tolerant und benutzen sie sogar, um sich im Boden zu orientieren. Unser Ziel ist es, die Mechanismen dieser Toleranz zu verstehen und zu erforschen, ob und wie die natürlichen Feinde des Wurzelbohrers durch Benzoxazinoide beeinflusst werden. Unser Fokus wird dabei auf entomopathogenen Nematoden liegen. Ein besseres Verständnis dieses Schlüsselprozesses könnte helfen, die durch Diabrotica verursachten enormen Probleme in der Landwirtschaft zu lösen.

Many plants defend themselves with chemicals that they store in their tissues in a non-toxic form. When these tissues are damaged by, for instance, plant-eating insects the stored compounds are converted to a toxic form to ward off the attackers. In maize plants and other grasses the main chemical defense compounds are so-called benzoxazinoids (BXDs). They are stored as glucosides, which means that there is a sugar (glucose) attached to the molecule, rendering it non-toxic. Upon tissue disruption enzymes are liberated that cleave off the sugar and the BXDs become toxic. Our project builds on our discovery that specialized insects have evolved highly sophisticated mechanisms that make them immune to this maize defense. Certain caterpillars are able to reattach a sugar to BXDs in a position that makes the molecule much more stable and invulnerable to the enzymes. Highly specialized beetle larvae that feed on the roots of maize plants can even use BXDs as foraging cues and are fully resistant to these toxic metabolites. We aim to unravel the mechanisms that allow this important pest of maize to withstand BXDs and to explore if and how the insect’s enemies are affected by the toxins. The focus will be on entomopathogenic nematodes (EPN), tiny roundworms that develop and reproduce inside insect bodies and kill them within days. The work will not only generate fundamental new knowledge on chemical defenses in plants and insects, it also has great potential for pest control as it may lead to the discovery of highly effective EPN strains for the biological control of one of the world’s most destructive maize pests.