Ambrosiakäfer: Wie Insekten Pilzgärten anlegen und vor Schädlingen schützen

Wer am Freitag, 9. Oktober, in Münster genauer hinschaut, landet schnell bei kleinen Tieren mit ziemlich großen Fähigkeiten. Bei der nächsten Kinder-Uni der Universität Münster geht es um Käfer, Mücken, Ameisen, Falter und Fliegenlarven – und um die Aufgaben, die sie in ihren Lebensräumen übernehmen. Einige Käfer können Waldbrände oder frisch verbrannte Waldflächen aus größerer Entfernung erkennen. Andere verfügen über ausgeklügelte Mechanismen zur Körperpflege. Fliegenlarven helfen beim Abbau organischen Materials, während Insekten unter anderem Bestäubung und natürliche Abbauprozesse ermöglichen.

Der Landschaftsökologe Prof. Dr. Sascha Buchholz erklärt außerdem den präzisen Stechapparat von Stechmücken. Die Vorlesung richtet sich an Schülerinnen und Schüler der dritten bis siebten Klasse. Beginn ist um 16.15 Uhr im Hörsaal H3, Schlossplatz 46, Münster; um 17.15 Uhr endet die Veranstaltung. Wer nicht vor Ort dabei sein kann, kann die Kinder-Uni per Video verfolgen. Der Eintritt ist kostenlos, eine Anmeldung ist für beide Teilnahmeformen erforderlich. Sie ist bis Donnerstag, 8. Oktober, um 10 Uhr über die Kinder-Uni-Webseiten beziehungsweise das Anmeldeportal der Universität möglich.

Wenn Käfer Pilzgärten anlegen

Die Kinder-Uni ist eine gemeinsame Veranstaltungsreihe der Universität Münster und der „Westfälischen Nachrichten“. Forschende stellen ihre Themen dabei kindgerecht vor. Hinter dem scheinbar kleinen Insektenalltag steckt allerdings ein Forschungsfeld, das tief in Holz, Pilzgeflechte und chemische Signale führt.

Ambrosiakäfer wie der Kleine Holzbohrer (Xyleborinus saxesenii) leben in selbst angelegten Gängen und Kammern in Holz. An den Tunnelwänden kultivieren sie Pilzgärten, die von zwei Nahrungspilzen dominiert werden; zusätzlich wachsen dort weitere Mikroben. Einige Schimmelpilze wirken parasitär und verringern offenbar die Zahl der Käfernachkommen. Untersucht wird deshalb, welche Faktoren die mikrobielle Gemeinschaft in den Nestern bestimmen und wie der Pilzanbau funktioniert.

Zunächst werden die Mikrobengemeinschaften von X. saxesenii und dem Schwarzen Nutzholzborkenkäfer (Xylosandrus germanus) identifiziert. Auch die zeitliche Reihenfolge, in der verschiedene Mikroben in den Nestern auftreten, wird erfasst. Danach geht es um ihre Wechselwirkungen. Zum Einsatz kommen molekulare und bildgebende Methoden: Next-Generation-Sequencing, Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH).

Frühere Studien zeigen, dass X. saxesenii die Pilzzusammensetzung beeinflussen kann. Der Käfer unterdrückt die Ausbreitung von Schimmelpilzen, fördert das Wachstum der Nahrungspilze und regt deren Fruchtkörperbildung an. Die Nahrungspilze bilden nur in Anwesenheit der Käfer Fruchtkörper, sogenannte Konidien. Wie genau das geschieht, wird noch untersucht. Vorläufige Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Käfer dafür weitere Symbionten einsetzen – zusätzliche mutualistische Partner neben Käfern und Nahrungspilzen.

Putzen, riechen, manchmal fressen

Wo viele verwandte Tiere eng zusammenleben, können sich Parasiten leicht verbreiten. Soziale Verhaltensweisen und chemische Abwehrmechanismen helfen dann bei der Bekämpfung. Beim Ambrosiakäfer X. saxesenii werden soziale Abwehrmechanismen gegen Krankheitserreger untersucht.

Nach der experimentellen Aussetzung gegenüber pathogenen Mikroorganismen, insbesondere Schimmelpilzen, zeigen die Käfer häufiger Hygieneverhalten: Sie putzen sich selbst und andere Käfer. Vermutlich sinkt dadurch die Zahl der Parasiten auf den Körperoberflächen. Außerdem tritt häufiger Kannibalismus auf, wodurch schimmelbefallene Tiere beseitigt werden. Solche kollektiven Abwehrmechanismen waren zuvor bei Käfern nicht beschrieben.

Auch die Nase – genauer gesagt der Geruchssinn – ist ein Forschungsgegenstand. Untersucht wird, ob sich die Käfer bei der Suche nach neuen Lebensräumen olfaktorisch orientieren. Als neuer Lebensraum dienen kürzlich abgestorbene Bäume mit bestimmten chemischen Merkmalen. In einem Pilotversuch wurden die Tiere von zwei Geruchsquellen angezogen: von flüchtigen Stoffen der Pilze, die häufig als mutualistische Symbionten in den Nestern vorkommen, und von Ethanol, das bei Zersetzungsprozessen entsteht und von frisch abgestorbenen Bäumen abgegeben wird.

Solche Gerüche können Hinweise darauf liefern, dass Artgenossen bereits erfolgreich Pilzgärten angelegt haben. Zugleich geben sie Auskunft über den Zustand des Wirtsbaums. Überraschend: Flüchtige Stoffe pathogener Pilze wirkten nicht abschreckend.

Ein Pilz reist im Käfergepäck

Ambrosiakäfer leben in Tunnelsystemen kürzlich abgestorbener oder absterbender Bäume und kultivieren an den Tunnelwänden verschiedene Pilze. Bestimmte Ambrosiapilze dominieren diese Gärten und kommen ausschließlich in Käfernestern vor. Die Schlauchpilze gehören unter anderem zu den Gattungen Raffaelea, Ambrosiella und Fusarium. Sie bilden geschwollene Hyphen, die den Käfern als alleinige Nahrungsquelle dienen.

Nachweislich vermehren sich die Pilze ungeschlechtlich; eine mögliche sexuelle Fortpflanzung wurde bislang nicht untersucht. Weibchen tragen beim Verlassen ihres Geburtsnests ungeschlechtliche Sporen in neue Nester und übertragen sie so vertikal. Ob zusätzlich ein Austausch zwischen bestehenden Nestern – also eine horizontale Übertragung – stattfindet, ist unklar. Würden die Pilze sich ausschließlich ungeschlechtlich fortpflanzen und nur vertikal weitergegeben, wäre zwischen den Käferpopulationen eine geringe genetische Vielfalt zu erwarten.

Darum wird die genetische Vielfalt der Pilze in Käferpopulationen aus ganz Zentraleuropa untersucht. Verglichen werden die Ambrosiella– und Raffaelea-Genotypen innerhalb und zwischen den Populationen. Die Ergebnisse sollen Hinweise auf die Häufigkeit des horizontalen Austauschs zwischen Nestern sowie auf das Auftreten und die Häufigkeit sexueller Fortpflanzung geben. Zusätzlich sollen in Zusammenarbeit mit T. Harrington neue Pilzarten identifiziert werden.

Die Pilzzucht ist kein Sonderfall, der irgendwo am Rand der Insektenwelt herumsteht. Einige Insektenarten bauen Pilze als Nahrungsquelle an und organisieren Anbau, Schutz, Versorgung und Ernte arbeitsteilig in kooperativen Gemeinschaften. Entwickelt hat sich die Pilzzucht einmal bei Ameisen, einmal bei Termiten und mindestens zehnmal unabhängig voneinander bei Käfern.

Bei Ameisen und Termiten entstand die Sozialität vor der Pilzzucht. Bei Ambrosiakäfern der Gruppen Scolytinae und Platypodinae entwickelten sich Sozialität und Pilzzucht dagegen gleichzeitig. Larven und ausgewachsene Käfer regen die Bildung nährstoffreicher Fruchtkörper ihrer Zuchtpilze an und unterdrücken zugleich das Wachstum schädlicher „Unkraut“-Pilze. Dahinter könnten mikrobielle Helfer stecken.

Von Borkenkäfern bis zur nachhaltigen Landwirtschaft

Die Forschung untersucht deshalb die mikrobielle Gemeinschaft verschiedener Ambrosiakäferarten – Bakterien, Hefen und filamentöse Pilze. Verglichen werden Käferarten mit unterschiedlichen Graden der Sozialität und verschiedenen Formen der Pilzzucht. Dafür dienen kultivierungsbasierte und kulturunabhängige Methoden. In kontrollierten Biotests wird geprüft, welche Bedeutung einzelne symbiotische Mikroorganismen für die Pilzzucht haben.

Neben Next-Generation-Sequencing kommen Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) zum Einsatz. Bei besonders relevanten Wechselwirkungen sollen wachstumsfördernde oder antibiotische Substanzen isoliert und chemisch identifiziert werden. Die Ergebnisse könnten zeigen, wie Insekten ihre Pilzgärten seit Millionen Jahren vor Schädlingen schützen – und daraus könnten sich Ansätze für eine nachhaltige Landwirtschaft ableiten.

Beteiligt sind Peter Biedermann (MPICE) und Martin Kaltenpoth. Genannte Publikationen sind Dohet et al. (2016): Bakterielle und pilzliche Symbionten parasitischer Dendroctonus-Borkenkäfer, sowie Biedermann und Taborsky (2011): Larvale Helfer und Altersarbeitsteilung bei Ambrosiakäfern.

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