Sind Baumwollkapselwürmer auch wählerische Esser? Baumwollkapselwurm: Ich esse nicht gerne jedes Blatt

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Bingbingbang (Institut für Zoologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Sind Sie bereit, mit dem Einzug des kalten Herbsts und Winters eine Unmenge köstlicher Speisen zu sich zu nehmen, um an Gewicht zuzunehmen? In Wirklichkeit gibt es jedoch immer einige Freunde, die eine natürliche Resistenz und Ablehnung gegenüber bestimmten Nahrungsmitteln (wie Koriander und Durian) haben und daher zu den „mäkeligen Essern“ zählen, wegen denen uns unsere Mütter oft auf die Nerven gehen. Tatsächlich sind wir Menschen nicht die einzigen „wählerischen Esser“ in der Natur. Unter den Tausenden von Arten hat fast jede Art ihre eigenen, einzigartigen Geschmacksvorlieben. Welche Faktoren stecken also hinter dieser „Herausforderung“?

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Kürzlich wurde in der international renommierten Fachzeitschrift PLoS Genetics ein Forschungsbericht mit dem Titel „Funktionsanalyse eines in der Larven-Maxillary-Galea von Helicoverpa armigera stark exprimierten Bitter-Geruchsrezeptors“ von einem Team unter der Leitung des Forschers Wang Chenzhu vom Institut für Zoologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften veröffentlicht. Die Arbeit enthüllte aus genetischer Sicht, wie die Nahrungsauswahl für die Gruppe der Baumwollkapselwürmer erfolgt.

Der wissenschaftliche Name des Baumwollkapselwurms lautet Helicoverpa armigera. In der biologischen Klassifikation gehört er zu den Schmetterlingen (Noctuidae). Es ist in China und auf der ganzen Welt weit verbreitet. Es handelt sich um einen wichtigen Bohrschädling der Baumwolle im Knospen- und Kapselstadium. Er ernährt sich hauptsächlich von Wattestäbchen, aber auch von jungen Blättern. Die meisten Insekten erkennen Pflanzenarten hauptsächlich durch die Wahrnehmung des Geruchs, den die Pflanze selbst abgibt. Dieser Geruch ist eine Mischung verschiedener sekundärer Metabolite, die während des pflanzeneigenen Wachstumsvorgangs entstehen, darunter Cumarin, ein bitterer sekundärer Metabolit, der Insekten vom Fressen abhalten kann. Cumarin wird hauptsächlich in den Früchten, Wurzeln, Stängeln und Blättern von Pflanzen synthetisiert und ist im Pflanzenreich weit verbreitet. Es beeinflusst nicht nur das Fressverhalten von Insekten, sondern hemmt auch das Wachstum der Insekten und verringert ihre Überlebens- und Eiablagerate. Hängt die Nahrungsauswahl des Baumwollkapselwurms also mit den Cumarinen in Pflanzen zusammen?

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Das Team um Professor Wang Chenzhu lieferte in dieser Studie die Antwort und bewies, dass Cumarin tatsächlich eine wichtige Grundlage für die Nahrungsauswahl des Baumwollkapselwurms darstellt. So wie wir Menschen uns bei der Geruchswahrnehmung auf unsere Nase verlassen, verfügen auch Baumwollkapselwürmer über Organe zur Geruchswahrnehmung – die Mundwerkzeuge. An den Mundwerkzeugen des Baumwollkapselwurms sind zahlreiche Geschmacksrezeptoren ausgebildet, die für die Wahrnehmung unterschiedlicher Gerüche und Stoffe zuständig sind, so wie auch wir Menschen sauer, süß, bitter, scharf und salzig gleichzeitig wahrnehmen können.

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Nachdem das Team die Transkriptomdaten der Mundwerkzeuge des Baumwollkapselwurms analysiert hatte (Transkriptom bezeichnet die spezifische Manifestation der Expression genetischer Gene, d. h. DNA, in einem Organismus), stellten die Forscher fest, dass unter den verschiedenen Geschmacksrezeptoren, die auf den Mundwerkzeugen des Baumwollkapselwurms exprimiert werden, ein Rezeptorprotein namens HarmGr180 den höchsten Gehalt aufweist und dass sein entsprechendes codierendes Gen in der DNA-Informationsbibliothek des Baumwollkapselwurms harmgr180 heißt. Um die physiologische Funktion des HarmGr180-Rezeptorproteins zu untersuchen, verwendeten die Forscher das Xenopus-Oozyten-Expressionssystem und das Zwei-Elektroden-Spannungsklemmexperiment, um das dem HarmGr180-Rezeptorprotein entsprechende harmgr180-Gen heterolog in die Xenopus-Oozyten zu exprimieren, und führten elektrophysiologische Tests an den Zellen durch. Die experimentellen Daten zeigten, dass die Xenopus-Oozyten, die das harmgr180-Gen (mit dem HarmGr180-Rezeptorprotein) exprimierten, eine besonders starke elektrophysiologische Reaktion auf Cumarin zeigten, während gewöhnliche Xenopus-Oozyten (ohne das HarmGr180-Rezeptorprotein), die nicht mit dem heterologen Gen harmgr180 transduziert worden waren, kein so starkes Reaktionssignal auf Cumarin zeigten. An diesem Punkt ist die Beziehung zwischen dem harmgr180-Gen und der Cumarin-Wahrnehmung deutlicher geworden.

Allerdings erfordert die Vorlage und Bestätigung einer wissenschaftlichen Schlussfolgerung sehr strenge, wissenschaftliche und umfassende experimentelle Beweise, um diese zu untermauern. Um die Funktion des HarmGr180-Rezeptorproteins weiter zu bestätigen, verwendeten die Forscher die derzeit sehr beliebte Genom-Editierungstechnologie – das CRISPR/Cas9-System (eine Gen-Knockout-Technologie, mit der ein bestimmtes Zielgen aus den Genen eines Organismus ausgeschaltet werden kann. Nach dem Knockout exprimiert der Organismus das Gen nicht mehr und verfügt nicht mehr über das dem Gen entsprechende Protein). Es gelang ihnen, einen homozygoten Mutanten des Baumwollkapselwurms – harmgr180-/- – zu konstruieren und zu erhalten (der Baumwollkapselwurm ist nach dieser Genmutation nicht mehr in der Lage, das harmgr180-Gen zu exprimieren). Die Ergebnisse der Forschung und Tests an Harmgr180-/- Baumwollkapselwürmern zeigten, dass Baumwollkapselwurmlarven, denen das HarmGr180-Rezeptorprotein fehlte, Cumarin nicht mehr schnell und genau wahrnehmen und vermeiden konnten, während normale Baumwollkapselwurmlarven Cumarin normal wahrnehmen und vermeiden konnten.

Die Forscher haben Untersuchungen aus verschiedenen Blickwinkeln und auf mehreren Ebenen durchgeführt, unter anderem in den Bereichen Molekularbiologie, Omics, Elektrophysiologie und Verhalten. Dabei haben sie herausgefunden, dass der Grund für die Pflanzenauswahl des Baumwollkapselwurms darin liegt, dass das Gen harmgr180 in seinem Körper der dominierende Faktor ist. Dieses Gen reguliert die Expression eines Rezeptorproteins namens HarmGr180, erkennt und identifiziert den Cumaringehalt in Pflanzen und ernährt sich daher von Pflanzen mit geringerem Cumaringehalt und meidet effektiv Pflanzen mit höherem Cumaringehalt. Diese Forschung liefert uns auch eine wissenschaftlich-theoretische Grundlage für die Entwicklung von Schädlingsabwehrmitteln und die wirksame Bekämpfung von Schädlingen und bietet eine neue Perspektive für die Untersuchung des Geschmacks anderer pflanzenfressender Insekten.

Wenn man davon ausgeht, dass der Baumwollkapselwurm es meidet, sich von Pflanzen zu ernähren, die ihm schaden könnten, indem er das Gen harmgr180 zur Erkennung von Cumarinen exprimiert, sollten wir wählerisches Verhalten in Bezug auf Nahrungsmittel vielleicht nicht willkürlich als eine Art anmaßendes oder ungehorsames Verhalten betrachten. Es ist wahrscheinlicher, dass die genetische Information in unserem Körper darauf hinweist, dass bestimmte Nahrungsmittel unserem Körper potenziell schaden könnten. Daher wird dem Körper von der Aufnahme dieser Nahrungsmittel abgeraten, um uns selbst nicht unnötig zu schaden. Mit der Verbesserung des Lebensstandards und der Verbreitung wissenschaftlicher Erkenntnisse müssen wir jedoch lernen, bei der Auswahl von Lebensmitteln rationale Entscheidungen zu treffen. Notwendige Nährstoffe sind unverzichtbar. Nur eine ausgewogene und nahrhafte Ernährung kann unseren Körper stärken und unseren Geist erfüllen.

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Ich hoffe, dass jeder von uns einen starken Körper haben und wie hervorragende Wissenschaftler in Zukunft noch mehr wunderbare Phänomene in der Natur erforschen und noch mehr ungelöste Geheimnisse der Natur lösen kann!