Gift schützt Wanderheuschrecken vor Kannibalismus

Die Insekten verteidigen sich mit Phenylacetonitril gegen ihre eigenen Artgenossen

Forschende des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie haben zusammen mit Partnern aus China und der Universität Halle herausgefunden, dass die Europäische Wanderheuschrecke Locusta migratoria die Verbindung Phenylacetonitril bildet, um sich bei zunehmender Populationsdichte gegen Fraßangriffe durch Artgenossen zur Wehr zu setzen. Bei Heuschrecken, die diesen Wirkstoff nicht mehr produzieren können, nimmt die Kannibalismusrate dagegen zu. Außerdem haben die Forschenden den Geruchsrezeptor der Tiere für Phenylacetonitril entdeckt. Sie konnten belegen, dass Tiere ohne einen funktionierenden Rezeptor die Verbindung nicht mehr wahrnehmen können. Der Rezeptor ist deshalb für die Unterdrückung von Kannibalismus notwendig. Das Anti-Kannibalismus-Pheromon könnte künftig dafür genutzt werden, die Schwarmbildung der Wanderheuschrecken zu verhindern.

Kannibalistische Fraßattacke: Eine Europäische Wanderheuschrecke der Art Locusta migratoria verspeist eine Artgenossin. Kannibalismus wird als einer der wesentlichen Treiber für das verheerende Schwarmverhalten von Heuschrecken angesehen.
© MPI für chemische Ökologie/ Benjamin Fabian

Riesige Schwärme von Wanderheuschrecken nehmen das Ausmaß von Naturkatastrophen ein und bedrohen vor allem in Afrika und Asien die Nahrungsmittelversorgung von Millionen von Menschen.  Als achte der zehn biblischen Plagen wird bereits im Buch Mose des Alten Testaments beschrieben, wie Heuschreckenschwärme den Himmel verfinsterten und alles auffraßen, was auf den Feldern und an den Bäumen wuchs.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vermuten, dass Kannibalismus unter den Heuschrecken zu ihrem Schwarmverhalten beiträgt, und Schwärme deshalb ständig weiterziehen, weil die Tiere buchstäblich auf der Flucht vor den sie verfolgenden Artgenossen sind. „Wir fragten uns, wie sich diese Insekten innerhalb der riesigen Schwärme gegenseitig in ihrem Verhalten beeinflussen, und ob der Geruchssinn dabei eine Rolle spielt. Eine wichtige Grundlage waren für uns die Untersuchungen zur Entstehung von Heuschreckenschwärmen von Iain Couzin vom Max-Planck-Institut für Verhaltensbiologie in Konstanz“, erläutert Studienleiter Bill Hansson, Direktor der Abteilung Evolutionäre Neuroethologie am Max-Planck-Institut.

Unterschiedlich Lebensphasen

Wanderheuschrecken kommen in unterschiedlichen Phasen vor: In der solitären Phase leben die Insekten einzeln und ortstreu, während sie in der gregären Phase das typische Schwarmverhalten zeigen, die zu ihrer Bezeichnung als Wanderheuschrecken passt. „In den meisten Fällen befinden sich Heuschrecken in der solitären Phase, in der sie den physischen Kontakt mit Artgenossen meiden und vergleichsweise wenig Nahrung zu sich nehmen. Nimmt die Populationsdichte aufgrund von Regenfällen und ausreichend Nahrung zu, verändern Heuschrecken innerhalb weniger Stunden ihr Verhalten, sie können einander riechen, sehen und berühren. Diese drei Arten der Stimulation erhöhen den Serotonin- und Dopaminspiegel im Heuschreckenhirn. Dies führt dazu, dass aus den solitären Heuschrecken aggressive schwarmbildende Tiere werden, die sehr aktiv sind und einen großen Appetit haben. Außerdem setzen sie Aggregationspheromone frei, was schließlich zu den gefürchteten Schwärmen führt und die landwirtschaftliche Produktion bedroht. Nur in dieser Phase kommt es zu Kannibalismus“, erläutert der Erstautor der Studie Hetan Chang.

Verhaltensexperimente mit der Europäischen Wanderheuschrecke Locusta migratoria zeigten, dass die Kannibalismusrate zunimmt, je mehr schwarmbildende Tiere zusammen in einem Käfig gehalten werden. Es gibt also einen direkten Zusammenhang zwischen Populationsdichte und kannibalistischem Verhalten. Um herauszufinden, ob Heuschrecken in dieser Phase besondere Düfte abgeben, die in der solitären Phase nicht produziert werden, analysierte das Forschungsteam alle Duftstoffe, die von Heuschrecken im Jugendstadium abgegeben werden, und glich sie ab. Von den 17 Düften, die nur in der gregären Phase gebildet wurden, stellte sich in Verhaltenstests nur Phenylacetonitril als Duftsignal heraus, das auf andere Heuschrecken abschreckend wirkte.

Für eine weitere Bestätigung für die Funktion von Phenylacetonitril nutzten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler genetisch modifizierte Heuschrecken, die die Verbindung nicht mehr produzieren können. „Wir zeigten, dass bei zunehmender Populationsdichte nicht nur das Ausmaß des Kannibalismus zunimmt, sondern dass die Tiere parallel dazu auch mehr Phenylacetonitril produzieren. Mittels Genom-Editierung haben wir ein Enzym ausgeschaltet, das für die Produktion dieser Verbindung verantwortlich ist. Der Kannibalismus wird noch einmal deutlich gesteigert, wenn die Tiere die Verbindung nicht mehr produzieren können“, sagt Hetan Chang.

Rezeptor für Phenylacetonitril

Die größte Herausforderung bestand darin, den Geruchsrezeptor zu finden, der Phenylacetonitril erkennt. Da Heuschrecken mehr als 140 Geruchsrezeptor-Gene haben, musste das Forschungsteam so viele Gene wie möglich klonen und eines nach dem anderen testen. Tests an 49 verschiedenen Geruchsrezeptoren unter Verwendung von mehr als 200 relevanten Düften führten schließlich auf die Spur des Duftrezeptors OR70a als einen hochempfindlichen und spezifischen Detektor für Phenylacetonitril. Verhaltensexperimente mit genetisch veränderten Heuschrecken, deren OR70a-Rezeptor nicht mehr funktioniert, wiesen wiederum eine stark erhöhte Kannibalismusrate auf, was darauf zurückzuführen ist, dass das Kannibalismus-Stoppsignal von den Heuschrecken ohne den entsprechenden Rezeptor nicht mehr wahrgenommen werden kann.

Ein Pheromon, das Kannibalismus steuert, ist eine absolute Neuentdeckung. Da Kannibalismus einen großen Einfluss auf die Schwarmdynamik von Heuschrecken hat, ergeben sich aus dem grundlegenden Verständnis der Populationsökologie dieser Tiere, insbesondere der Wirkung von Phenylacetonitril, neue Möglichkeiten, die Ausbreitung von Heuschrecken einzudämmen. „Wenn man die Produktion von Phenylacetonitril oder die Funktion des Rezeptors hemmt, könnte man die Heuschrecken dazu bringen, sich kannibalistischer zu verhalten und sich auf diese Weise möglicherweise selbst zu bekämpfen“, meint Bill Hansson.

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Für die vielen tierischen Insekten-Gourmets hat der Zoo Basel gemeinsam mit dem Startup „Smartbreed“ vollautomatische Zuchtboxen für Heuschrecken weiterentwickelt. Gefüttert werden Heuschrecken mit bisher ungenutzten Nebenprodukten aus der Argarproduktion.

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(mfe)

Source: Gift schützt Wanderheuschrecken vor Kannibalismus
https://www.youtube.com/watch?v=Rhn-mmafXyA

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