Germany
September 25, 2014
Grasses and crops such as maize attach sugars to chemical defenses called benzoxazinoids to protect themselves from being poisoned by their own protective agents. Then, when an insect starts feeding, a plant enzyme removes the sugar to deploy the active toxin. Scientists at the Max Planck Institute for Chemical Ecology in Jena, Germany, have now discovered why this defensive strategy fails to work against Spodoptera larvae. Armyworms deactivate the maize chemical defense by reattaching the sugar in the opposite configuration.
Sugars are usually known as energy storage units in plants and the insects that feed on them. But, sugars may also be part of a deadly game of tag between plant and insect according to scientists at the Max Planck Institute for Chemical Ecology. Grasses and crops such as maize attach sugars to chemical defenses called benzoxazinoids to protect themselves from being poisoned by their own protective agents. Then, when an insect starts feeding, a plant enzyme removes the sugar to deploy the active toxin. The Max Planck scientists have now discovered why this defensive strategy fails to work against Spodoptera larvae. When the researchers examined the frass of these pests − pests that cause enormous crop damage −, they found the toxin with sugar still attached. After the plant removes the sugar, the insect reattaches it but in the opposite stereochemical configuration. In contrast to the original plant compound, the new substance can no longer be cleaved by the plant enzyme to generate the toxin. Attaching the sugar in the opposite configuration turns out to be a very simple but effective detoxification strategy which explains the success of Spodoptera species. (Angewandte Chemie - International Edition, September 2014, doi: 10.1002/ange.201406643).
Plants usually defend themselves against insect feeding by producing toxins or deterrents. However, many insects have become adapted to plant defenses and can feed on plant tissues containing toxins or deterrents without the expected negative effects. Insects overcome plant defenses by the rapid excretion, sequestration or detoxification of toxic substances. Not only have such adaptations contributed to the vast diversification of insects in the course of evolution, they also support the success of agricultural pests specialized on certain crop plants that jeopardize crop yields every year.
With the abundance of maize grown throughout the world, it is not surprising that the crop has many insect pests, including larvae of the genus Spodoptera. In North and South America, the fall armyworm Spodoptera frugiperda is an important maize pest causing considerable damage. Like all cereals and other members of the grass family, maize plants defend themselves with chemistry. Leaves of young maize plants contain large amounts of a benzoxazinoid called (2R)-DIMBOA-glucoside. The plant also produces an enzyme active in caterpillar guts which cleaves DIMBOA-glucoside to release the sugar. The free DIMBOA formed as a result causes many insects to die or cease growing, but not the fall armyworm.
A group of researchers led by Daniel Giddings Vassão and Jonathan Gershenzon from the Department of Biochemistry at the Max Planck Institute for Chemical Ecology in Jena, Germany, have recently discovered a previously unknown detoxification strategy in these pest insects. Caterpillars of the fall armyworm and two other Spodoptera species deploy a gut enzyme that catalyzes the attachment of a sugar to the toxic free DIMBOA. The sugar group is reattached in a mirror-image orientation (forming a (2S)-DIMBOA-glucoside) so that the plant enzyme cannot remove it a second time. The scientists found out about this clever mechanism when they analyzed larval frass. Modern and highly sensitive mass spectrometry and nuclear magnetic resonance spectroscopy methods showed that the benzoxazinoid identified in the larval frass was no longer identical to the substance in the plant leaves.
“We were surprised that the difference between the insect metabolite and the original plant compound was simply the stereochemical configuration of one atom. The crucial change, however, is the fact that the insect metabolite is no longer reactive to the plant enzyme and the toxic DIMBOA cannot be formed any more. The elegance of such a mechanism comes from its simplicity, yet it saves the insects from being poisoned,“ said Felipe Wouters, who performed the experiments for his doctoral thesis at the institute, summarizing the results. Like his colleague Daniel Giddings Vassão, Felipe Wouters is from Brazil, where fall armyworm caused major losses of the maize yield before Bt maize was introduced. According to a Reuters report this summer Brazilian farmers are complaining that Bt is not protecting the plants against the fall armyworm any longer. The increasing resistance of pest insects to Bt is another reason to look deeper into the natural insect adaptations against plant defenses. “If we can better understand how much this gut enzyme has helped the fall armyworm to become such a dangerous pest on maize, we may be able to use this to our advantage by impairing this insect enzyme and restoring the full defensive potential of maize against these pests,” says Daniel Giddings Vassão.
Plant-insect interactions involve very complex and dynamic metabolic processes. The importance of the three-dimensional structure of molecules and the stereospecificity of chemical reactions is often overlooked. “The chemical chirality of the compounds is the key here,“ explains Jonathan Gershenzon, director of the Department of Biochemistry. “These insects can teach us humans a lot about an important chemical concept, the idea that a compound and its mirror image are different even though the atoms are connected in the same way.” The term “chirality” is derived from the Greek word for hand and corresponds to an anatomical principle, namely the mirror-image arrangement of our left and right hands. That two mirror molecules can have a completely different mode of action became widely known in the aftermath of the tragic effects the sedative drug Contergan had on unborn children in the early 1960s. As a drug, the chemical agent thalidomide was available in two versions, as an (S)- as well as an (R)-thalidomide. When scientists tried to clarify the fatal effects the drug had when taken by pregnant women, they found that only (S)-thalidomide caused birth defects, whereas (R)-thalidomide had the desired calming and anti-nausea effects.
The Max Planck scientists now want to identify the enzymes and the encoding genes that are responsible for the detoxification process in the fall armyworm. They also want to look for equivalent enzymes in related species and compare these. DIMBOA is only one member of the vast variety of toxic benzoxazinoids found in grasses. If the researchers can obtain a more comprehensive picture of how benzoxazinoids are metabolized in pest insects, they may be able to design better strategies to reduce pest damage. [AO]
Original Publication:
Wouters, F.C., Reichelt, M., Glauser, G., Bauer, E., Erb, M., Gershenzon, J., Vassão, D.G. (in press). Reglucosylation of the benzoxazinoid DIMBOA with inversion of stereochemical configuration is a detoxification strategy in lepidopteran herbivores. Angewandte Chemie − International Edition. DOI: 10.1002/anie.201406643
http://dx.doi.org/10.1002/anie.201406643
Zuckerwettstreit im Maisfeld
Viele Getreidearten und Gräser binden Zucker an ihre Abwehrstoffe, sogenannte Benzoxazinoide, und schützen sich so davor, von ihren eigenen Pflanzenschutzmitteln vergiftet zu werden. Sobald aber ein Insekt die Pflanze anknabbert, spaltet ein Enzym aus der Pflanze den Zucker ab und aktiviert das Gift. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena haben nun entschlüsselt, warum diese Pflanzenabwehr bei Raupen der Gattung Spodoptera versagt. Die Eulenfalterraupen binden das Zuckermolekül verkehrt herum an den Abwehrstoff von Maispflanzen und machen das Insektengift so unschädlich.
Pflanzen und Insekten speichern Zuckerverbindungen als Energievorräte. Zucker können jedoch auch Teil eines tödlichen Wettkampfs zwischen der Pflanze und ihrem Schädling werden, wie Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena jetzt herausgefunden haben. Viele Getreidearten und Gräser binden Zucker an ihre Abwehrstoffe, sogenannte Benzoxazinoide, und schützen sich so davor, von ihren eigenen Pflanzenschutzmitteln vergiftet zu werden. Sobald aber ein Insekt die Pflanze anknabbert, spaltet ein Enzym aus der Pflanze den Zucker ab und aktiviert das Gift. Die Max-Planck-Wissenschaftler haben nun entschlüsselt, warum diese Pflanzenabwehr bei Raupen der Gattung Spodoptera versagt. Die Forscher fanden im Kot der Insektenlarven, die als Maisschädlinge erheblichen wirtschaftlichen Schaden verursachen, Moleküle der ursprünglichen pflanzlichen Verbindung, die sich lediglich durch eine räumlich anders angebundene Zuckergruppe unterscheiden. Im Gegensatz zum Pflanzenabwehrstoff kann die neue Verbindung nicht mehr enzymatisch in ein Gift umgewandelt werden. Die verkehrte Wieder-Anbindung des Zuckers stellt somit eine sehr einfache, aber effektive Entgiftungsstrategie dar, mit deren Hilfe Eulenfalterraupen als Landwirtschaftsschädlinge so erfolgreich werden konnten. (Angewandte Chemie - International Edition, September 2014, doi: 10.1002/ange.201406643).
Viele Pflanzen verteidigen sich gegen Insektenfraß, indem sie Gifte oder Abwehrstoffe produzieren. Allerdings haben sich viele Insekten an die pflanzliche Verteidigung angepasst und können sich ungehindert an vermeintlich giftigen Pflanzenblättern gütlich tun. Die Überwindung der Pflanzenabwehr kann darin bestehen, dass die schädlichen Stoffe aus der Pflanzennahrung vom Insekt rasch ausgeschieden, im Gewebe eingelagert oder entgiftet werden. Durch solche Anpassungen ist im Laufe der Evolution nicht nur die enorme Insektenvielfalt entstanden, es haben sich auch viele, auf bestimmte Pflanzen spezialisierte Schädlingsarten entwickelt, die jedes Jahr unsere landwirtschaftliche Produktion gefährden.
Als weltweit großflächig angebautes Getreide wird Mais von vielen Schädlingen bedroht, darunter auch Raupen der Gattung Spodoptera. In Nord- und Südamerika ist der Heerwurm Spodoptera frugiperda ein wichtiger Maisschädling, der beträchtlichen Schaden verursacht. Mais wehrt sich wie viele andere Gräser und Getreide mit Chemie. Die Blätter junger Maispflanzen enthalten große Mengen eines Benzoxazinoids namens (2R)-DIMBOA-Glycosid. Die Pflanzen produzieren zusätzlich ein Enzym, das im Raupendarm aktiv wird und dort das DIMBOA-Glycosid spaltet und den Zucker freisetzt. Das freie DIMBOA-Molekül, das bei der Spaltung entsteht, hat auf viele Schädlinge eine toxische Wirkung: Die Schädlinge sterben oder hören auf zu wachsen. Der Heerwurm ist jedoch immun gegen dieses Gift.
Forscher um Daniel Giddings Vassão und Jonathan Gershenzon aus der Abteilung Biochemie am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie sind jetzt einer bisher unbekannten Entgiftungsstrategie dieser Schädlinge auf die Schliche gekommen. Raupen des Heerwurms und zweier weiterer Spodoptera-Arten haben in ihrem Darm ein Enzym, das die Wiederanbindung des Zuckers an das giftige DIMBOA-Molekül katalysiert. Um eine erneute Abspaltung auszuschließen, wird der Zuckerrest allerdings umgedreht gebunden. Dies fanden die Wissenschaftler bei der chemischen Analyse von Raupenkot heraus. Modernste und hochsensible Verfahren der Massenspektrometrie und Kernresonanzspektroskopie ergaben, dass das Benzoxazinoid aus dem Raupenkot nicht mehr der Substanz aus den Maisblättern entsprach und es sich vielmehr um eine Art Spiegelbild handelt (nunmehr (2S)-DIMBOA-Glycosid genannt).
„Wir waren überrascht, dass der Unterschied lediglich in der geänderten dreidimensionalen Anbindung der Zuckergruppe besteht. Entscheidend ist dabei, dass das pflanzliche Enzym den Zucker nicht mehr abspalten kann und somit das giftige DIMBOA auch nicht mehr zum Einsatz kommt. Die Eleganz dieses Mechanismus besteht in seiner Einfachheit, aber er schützt die Raupen davor, vergiftet zu werden“, fasst Felipe Wouters, der als Doktorand am Institut die Untersuchungen durchgeführt hat, die Ergebnisse zusammen. Wie sein Kollege Daniel Giddings Vassão kommt er aus Brasilien, wo der Heerwurm vor dem Anbau von Bt-Mais große Teile der Maisernte vernichtete. Wie die Nachrichtenagentur Reuters diesen Sommer berichtete, beobachten brasilianische Farmer jedoch eine zunehmende Resistenz des Schädlings gegenüber Bt, ein Grund mehr, das Verständnis ihrer natürlichen Anpassungs-mechanismen an die pflanzliche Abwehr zu vertiefen. „Wenn wir mehr darüber erfahren, wie ein Darm-Enzym aus dem Heerwurm einen so gefährlichen Schädling gemacht hat, können wir dieses Wissen vielleicht zu unserem Vorteil einsetzen, indem wir beispielsweise das Enzym deaktivieren und die natürliche Maisabwehr vollständig wiederherstellen“, meint Daniel Giddings Vassão.
Pflanzen-Insekten-Wechselwirkungen beinhalten sehr komplexe und dynamische Stoffwechselprozesse. Bei der Analyse und Identifizierung von chemischen Verbindungen, die dabei eine Rolle spielen, wird die dreidimensionale Anordnung der Moleküle oft übersehen. „Dabei birgt die räumliche Struktur der Verbindungen hier den Schlüssel zum Erfolg“, betont Jonathan Gershenzon, Direktor der Abteilung Biochemie. „Wir Menschen können von diesen Insekten eine ganze Menge über das chemische Konzept der Chiralität lernen, nämlich dass eine Verbindung und ihr Spiegelbild völlig unterschiedliche biologische Wirkungen haben, obwohl ihre Atome an denselben Stellen miteinander verbunden sind“. Der Begriff „Chiralität“ wird vom griechischen Wort für Hand abgeleitet und bezieht sich auf die Entsprechung des Prinzips in der Anatomie, nämlich der spiegelbildlichen Anordnung der rechten und der linken Hand. Einen traurigen Bekanntheitsgrad erlangte die unterschiedliche Wirkungsweise von Spiegelmolekülen durch die katastrophalen Folgen des Beruhigungsmittels Contergan zu Beginn der 60er Jahre: Der Wirkstoff Thalidomid lag in diesem Medikament in zwei Versionen vor, als (S)- sowie als (R)-Thalidomid. Wissenschaftler gingen bei der Klärung der fatalen Wirkung davon aus, dass nach Einnahme durch schwangere Frauen nur das (S)-Thalidomid Missbildungen bei Ungeborenen auslöste, während das (R)-Thalidomid die gewünschte beruhigende Wirkung hatte.
Die Wissenschaftler wollen jetzt die Enzyme und die beteiligten Gene identifizieren, die für den Entgiftungsprozess in Spodoptera-Raupen verantwortlich sind. Darüber hinaus werden sie nach ähnlichen Enzymen in verwandten Arten suchen und diese miteinander vergleichen. DIMBOA ist nur eine Verbindung aus einer Vielzahl toxischer Benzoxazinoide, die in Gräsern zu finden sind. Ziel der Forschung ist ein umfassendes Bild des Benzoxazinoid-Stoffwechsels in Insekten, das dazu beitragen soll, bessere Strategien zu entwickeln, um Ernteschädlinge in Schach zu halten. [AO]
Originalveröffentlichung:
Wouters, F.C., Reichelt, M., Glauser, G., Bauer, E., Erb, M., Gershenzon, J., Vassão, D.G. (in press). Reglucosylation of the benzoxazinoid DIMBOA with inversion of stereochemical configuration is a detoxification strategy in lepidopteran herbivores. Angewandte Chemie − International Edition. DOI: 10.1002/anie.201406643
http://dx.doi.org/10.1002/ange.201406643
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Species
