Können Heuschreckenplagen vermieden werden, indem man den Heuschrecken die „Nase“ zuklemmt?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Insektenpraktikant (Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Geheimnisse der Biowissenschaften zu entschlüsseln, hat das Spitzentechnologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie mit dem Titel „Neues Wissen über das Leben“ veröffentlicht, die Lebensphänomene interpretiert und die Geheimnisse der Biologie aus einer einzigartigen Perspektive enthüllt. Tauchen wir ein in die Welt des Lebens und erkunden wir die unendlichen Möglichkeiten.

Für die meisten Tiere ist der Geruchssinn lebenswichtig und eng mit ihren Lebensaktivitäten verbunden.

Nehmen Sie uns Menschen als Beispiel. Wenn wir unseren Geruchssinn verlieren, verringert sich aufgrund des fehlenden Duftes nicht nur unser Appetit erheblich, sondern wir verlieren auch einen wichtigen Frühwarnmechanismus, denn viele unangenehme Gase sind oft giftig und das Einatmen zu großer Mengen davon kann unserer Gesundheit ernsthaft schaden.

Putzen Sie Ihre Nase

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Bei vielen anderen Tieren, insbesondere Insekten , ist das Sehvermögen weit weniger entwickelt als bei höheren Tieren. Stattdessen müssen sie sich auf ein komplexes Geruchssystem verlassen, um verschiedene Gerüche in der Umgebung zu identifizieren und zu klassifizieren und so Aktivitäten wie Jagen und Fortpflanzung durchzuführen. Daher ist der Geruchssinn für sie äußerst wichtig.

Durch die Untersuchung des Geruchsmechanismus von Insekten können wir nicht nur die Physiologie und Gewohnheiten von Insekten besser verstehen, sondern auch besser mit den von diesen Insekten verursachten Katastrophen umgehen. Beispielsweise kommt es häufig zu einer Heuschreckenplage, da sich Heuschrecken in großer Zahl versammeln.

Neuere Studien haben ergeben, dass die Verbindung 4VA als Lockstoff wirkt und Heuschrecken dazu anlockt, sich zu versammeln und über die Geruchsrezeptoren der Heuschrecken Plagen zu bilden. Diese Forschung ist von großer Bedeutung. Zum ersten Mal wurden die chemischen Signale, die Heuschreckenplagen auslösen, auf mikroskopischer Ebene entdeckt. Damit wurde ein Problem gelöst, das in der Insektenforschung seit einem Jahrhundert besteht. Nach der Modifizierung der 4VA-Rezeptoren des Geruchssinns der Heuschrecken können Heuschrecken nicht mehr durch 4VA angelockt und gesammelt werden und es kommt nicht mehr zu Heuschreckenplagen.

Heuschrecke

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Zusätzlich zu den oben genannten Entdeckungen gab es kürzlich eine weitere „Top-Entdeckung“ in der Biologie: das einzigartige kreisförmige Kodierungsmuster des Geruchssinns von Heuschrecken.

Die menschliche Nase ist das Geruchsorgan, aber im Allgemeinen sind die Fühler auf dem Kopf von Insekten die wichtigsten Geruchsorgane . Die Oberfläche der Antennen ist mit verschiedenen Arten von Rezeptoren bedeckt und die Rezeptoren enthalten eine unterschiedliche Anzahl äußerst empfindlicher Riechneuronen. Die Rezeptoren bilden zusammen mit den Riechneuronen die Grundeinheit des Insektengeruchs.

Nervenstruktur des Heuschreckenkopfes

(Fotoquelle: vom Autor bereitgestellt)

Auf der Oberfläche der Dendriten von Riechneuronen befinden sich transmembranäre Riechrezeptoren (OR) und Riechkorezeptoren (Orco). Die beiden Haupttypen von Geruchsrezeptoren sind Geruchsrezeptoren (ORs) und ionotrope Rezeptoren (IRs). Die Bedeutung der Geruchsrezeptoren (ORs) liegt in der Erkennung verschiedener Gerüche.

Riechnerven mit ORs übertragen ihre Axone dann an die Antennallobusregion des zentralen Nervensystems, wo sie zu einer kugelförmigen Struktur zusammenlaufen, die als Riechglomerulus bezeichnet wird. Darüber hinaus empfängt ein Riechglomerulus Signale von einem Riechrezeptorneuron und stellt so sicher, dass ein Geruch einem Riechglomerulus entspricht.

Die sphärische Struktur des primären Riechzentrums (Glomerulus olfactorius) bei verschiedenen Arten

(Bildquelle: Referenz 1)

Es besteht Einigkeit darüber, dass diese Regeln in den Fühlern sowohl von Fruchtfliegen als auch von Motten vorhanden sind.

Die Wanderheuschrecke verfügt über das größte bislang bekannte sequenzierte Insektengenom mit mehr als 140 Geruchsrezeptoren. Nach bisherigen Regeln sollten Heuschrecken 140 Riechglomeruli besitzen, das heißt, sie können nur 140 Gerüche erkennen. Allerdings gibt es im Antennallobusbereich der Heuschrecken mehr als 2.000 Riechglomeruli , was den bisherigen Regeln widerspricht!

Da das Axon eines einzelnen olfaktorischen Rezeptorneurons einer Wanderheuschrecke an mehrere olfaktorische Glomeruli weiterleiten kann, widerspricht es dem traditionellen Eins-zu-eins-Modell. Aufgrund dieses komplexen Musters der Nervenleitung war es sehr schwierig, den olfaktorischen Kodierungsmechanismus der Heuschrecken zu verstehen, und dieses Problem blieb jahrzehntelang auf Eis gelegt.

Erst vor kurzem wurde dieses Problem durch ein internationales Gemeinschaftsprojekt unter der Leitung von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Deutschland und des Zoologischen Instituts der Chinesischen Akademie der Wissenschaften gelöst!

Über einen Zeitraum von fünf Jahren begannen sie bei Null und verwendeten zunächst die neueste Gen-Knock-in-Technologie, um den Kalziumionenindikator GCaMP6s in das Heuschreckengenom einzufügen (da Signale neuronaler Aktivität Schwankungen bei den Kalziumionen hervorrufen, kann die neuronale Aktivität von Organismen durch die Anzeige von Veränderungen bei den Kalziumionen intuitiv untersucht werden).

Anschließend verwendeten die Forscher die Zwei-Photonen-Mikroskopie-Technologie, um Kalzium-Bildanalysen an Heuschrecken in verschiedenen Entwicklungsstadien durchzuführen und die neuronalen Reaktionen auf verschiedene Geruchsreize im Bereich des Antennenlappens aufzuzeichnen. Sie fanden heraus, dass unterschiedliche Geruchskategorien unterschiedliche Gruppen von Riechglomeruli im Antennallobus aktivierten, die ringförmig angeordnet waren. Daher ist die Form der Geruchswahrnehmung der Heuschrecken während ihrer Entwicklung vom Klein- zum Großtier sehr stabil.

Die ringförmige Verteilung der olfaktorischen Glomeruli und die olfaktorischen Glomeruli von Heuschrecken in verschiedenen Wachstumsstadien

(Bildquelle: vom Autor anhand von Referenzen gezeichnet)

Weitere Untersuchungen ergaben, dass das Geruchssystem von Wanderheuschrecken nicht nur die chemischen Eigenschaften von Gerüchen unterscheiden, sondern Gerüche auch entsprechend ihrer ökologischen Bedeutung klassifizieren und kodieren kann. Ein einfaches Beispiel: Heuschreckengerüche aktivieren hauptsächlich die Randbereiche des Antennallos, während Pflanzengerüche hauptsächlich die zentralen Bereiche aktivieren. Dies lässt uns über die Wunder der Biologie staunen. Heuschrecken „klassifizieren“ Gerüche mit ähnlichen Komponenten tatsächlich in ihren Fühlern und ordnen die Gerüche mit ähnlichem Geruch an einem Ring an.

Darüber hinaus kann ein Typ von olfaktorischen Rezeptorneuronen einer Wanderheuschrecke gleichzeitig an mehrere olfaktorische Glomeruli übermitteln. Diese Methode der Mehrfachübertragung verbessert die Funktion der Ringstruktur weiter, was gleichbedeutend damit ist, für jeden Geruch mehrere Versicherungen zu hinterlassen. Es ist, als würden Sie in einem Bereich mehrere Kameras installieren. Es muss einfacher sein, die Bilder aufzunehmen, die die Menschen brauchen, als mit einer einzigen Kamera. Daher ist es für eine Wanderheuschrecke schwierig, jeden Geruch zu übersehen. Dies hilft den Heuschrecken, wichtige Gerüche wie Nahrung und natürliche Feinde in komplexen Umgebungen effizient zu erkennen und spielt somit eine Schlüsselrolle bei der Nahrungssuche und der Vermeidung dieser.

Schematische Darstellung der olfaktorischen Reaktion der Antennenlappen von Heuschrecken auf verschiedene Gerüche

(Bildquelle: vom Autor anhand von Referenzen gezeichnet)

Abschluss

Das Geruchssystem von Heuschrecken ist nicht nur in der biologischen Forschung von großer Bedeutung, sondern hat auch einen potenziellen Anwendungswert in der Landwirtschaft und im Umweltschutz. Das Schwarmverhalten der Heuschrecken führt häufig zu verheerenden Schäden an den Ernten. Das Verständnis ihres Geruchsmechanismus kann uns dabei helfen, neue Bekämpfungsmethoden zu entwickeln und die Schäden zu verringern, die Heuschrecken in der Landwirtschaft verursachen. Wenn man beispielsweise die „Nase“ der Heuschrecke kneift und ihren Geruchssinn unterdrückt, kann man bis zu einem gewissen Grad dazu beitragen, Heuschreckenplagen vorzubeugen.

Die Forschung bringt auch das gesamte Gebiet der Insektenneurobiologie voran. Obwohl es so aussieht, als ob wir derzeit nur das Geruchssystem von Heuschrecken verstehen, hoffen wir, in Zukunft mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie die Geheimnisse der Sinnessysteme von mehr Organismen (einschließlich des Menschen) zu lüften und den kontinuierlichen Fortschritt der wissenschaftlichen Forschung und Anwendung zu fördern.

Verweise

1. Jiang X, Dimitriou E, Grabe V, et al. Ringförmige Geruchskodierung im Antennallobus von Wanderheuschrecken. Zelle. Online veröffentlicht am 13. Juni 2024. doi:10.1016/j.cell.2024.05.036