Die bakteriellen Symbionten der Schmierläuse (Pseudococcidae)

Eine Vielzahl an Insekten lebt in Symbiose mit Bakterien. Diese stellen ihren Wirten essentielle Nährstoffe zur Verfügung, schützen sie vor Parasiten oder greifen sogar in deren Fortpflanzung ein. Bakterielle Symbionten spielen deshalb eine wichtige Rolle für die Ökologie und die Evolution ihrer Insektenwirte. Im Rahmen dieses Projekts sollen die bakteriellen Symbionten von Mitgliedern der Familie der Pseudococcidae (Schmierläuse) eingehend untersucht werden. Diese, hinsichtlich ihrer Symbionten bislang wenig untersuchte Insektengruppe, weist eine einzigartiges Merkmal auf: Schmierläuse besitzen zwei phylogenetisch unterschiedliche Symbionten, die jedoch nicht in benachbarten Bacteriozyten zu finden sind. Vielmehr dient einer der Symbionten (`Candidatus Tremblaya princeps`) dem anderen Symbionten als Wirt; in dessen Cytoplasma befindet sich der zweite Symbiont - der bislang einzige bekannte Fall einer intrazellulären Symbiose zwischen zwei Bakterien. Wir werden die Genome der bakteriellen Symbionten ausgewählter Schmierläuse sequenzieren und mittels vergleichender Genom- und Transkriptomanalyse unter der Verwendung der so genannten Next-Generation-Sequencing-Methoden die Funktionen beider Symbionten für einander und für ihr gemeinsames Wirtsinsekt untersuchen. Basierend auf diesen Daten werden wir Interaktionen und Abhängigkeiten zwischen den Symbiosepartnern hinsichtlich des Stoffwechsels vorhersagen können und entsprechende Interaktionsmodelle entwickeln. Durch den Vergleich verschiedener Schmierlausarten und deren Symbionten werden wir zudem Einblicke in die Evolutionsgeschichte dieser ungewöhnlichen Symbiose erlangen. Dieses Projekt wird zu einem besseren Verständnis der Biologie und der Ökologie einer Insektengruppe beitragen, deren Mitglieder weltweit als Pflanzenschädlinge auftreten. Darüber hinaus können anhand dieses Modellsystems grundlegende Fragen der Evolution einer symbiontischen Gemeinschaft zwischen Bakterien untersucht werden - ein Thema, das auch für unser Verständnis früher evolutionärer Prozesse und die Evolution der eukaryotischen Zelle relevant ist.

Eine Vielzahl an Insekten lebt in Symbiose mit Bakterien. Diese stellen ihren Wirten essentielle Nährstoffe zur Verfügung, schützen sie vor Parasiten oder greifen in deren Fortpflanzung ein. Bakterielle Symbionten spielen deshalb eine wichtige Rolle für die Ökologie und die Evolution ihrer Insektenwirte. Im Rahmen dieses Projekts wurden zwei pflanzensaugende Insektengruppen untersucht, die bedeutende Schädlinge sind, aber hinsichtlich ihrer Symbionten bislang wenig untersucht sind. Schmierläuse (Pseudococcidae) beherbergen ein ungewöhnliches Konsortium an bakteriellen Symbionten, bei dem ein Symbiont innerhalb der Zelle des anderen lokalisiert ist. Im Rahmen dieses Projekts konnten wir zeigen, dass alle drei Partner dieser Symbiose zusammenarbeiten, um gemeinsam essentielle Zellbestandteile (Aminosäuren) zu produzieren, die in der einseitigen Nahrung der Insekten fehlen. Überraschenderweise ist dieses eng verknüpfte Biosynthesenetzwerk während der Evolution der Schmierläuse mehrfach, und unabhängig voneinander entstanden mit teilweise nicht näher verwandten bakteriellen Partnern. Andere pflanzensaugende Insekten, wie die Blattläuse, beherbergen nur einen einzigen bakteriellen Symbionten, mit dem sie seit über 250 Millionen Jahren zusammen leben. Wir haben die nächsten Verwandten der Blattläuse untersucht und konnten aufzeigen, dass die Evolution der Symbiose der Adelgiden (Adelgidae) mit bakteriellen Symbionten völlig anders verlaufen ist als bei den Blattläusen. Adelgiden besitzen eine ganze Reihe unterschiedlicher Symbionten, wobei jeweils zwei Symbiontenarten pro Insektenwirt gefunden werden. Mit Hilfe phylogenetischer Analysen haben wir die Evolutionsgeschichte dieser Symbiose rekonstruiert und zeigen, dass diese sehr dynamisch war und die Vorfahren der Adelgiden mit unterschiedlichen Symbionten assoziiert waren, die im Laufe der Entwicklung mehrfach ausgetauscht wurden. Uns ist es im Rahmen dieses Projekts erstmals gelungen die genetischen Grundlagen der Symbiose eines Vertreters der Adelgiden und seinen Symbionten zu untersuchen. Dabei konnten wir zeigen, dass diese Bakterien evolutionsgeschichtlich relativ junge Symbionten sind, die der Ernährung der Insekten dienen und beide essentiell für ihren Wirt sind. Dieses Projekt leistet einen wichtigen Beitrag zu einem besseren Verständnis der Symbiose zwischen Bakterien und Insekten. Es beschäftigt sich mit grundlegenden Fragen der Mikrobiologie und der Evolutionsbiologie, weist aber auch angewandte Aspekte auf, die beispielsweise für die Bekämpfung von Pflanzenschädlingen genutzt werden können.