Germany
June 24, 2015
Quelle: Max-Planck-Institut für chemische Ökologie
Raupen des Großen Kohlweißlings (Pieris brassicae). Copyright: Hanna Heidel-Fischer, MPI chem. Ökol.
An international team of researchers has used the power of genomics to reveal the mechanisms of an ancient and ongoing arms-race between butterflies and plants, played out in countless gardens around the world as green caterpillars devour cabbage plants. This study appears 50 years after a classic paper by Drs. Paul Ehrlich and Peter Raven that formally introduced the concept of coevolution using butterflies and plants as primary examples. The present study not only provides striking support for coevolution, but also provides fundamentally new insights into its genetic basis in both groups of organisms. (Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, June 2015).
The major chemical defense of cabbage plants and relatives belonging to the mustard family Brassicales is based on a two-component activated system composed of non-toxic precursors (the glucosinolates or mustard oils) and plant enzymes (myrosinases). These are spatially separated in healthy tissue, but when the tissue is damaged by chewing insects both components are mixed and the so-called "mustard oil bomb" is ignited, producing a series of toxic breakdown products. It is exactly these breakdown products that can be appealing to humans in certain concentrations (as found in mustard) as well as deterrent or toxic to unadapted herbivores. However, some insects have specialized on cabbage plants and have found various ways to cope with their host plant defenses. Among these are pierids (the White butterflies) and relatives, which specialized on these new host plants shortly after the evolutionary appearance of the Brassicales and their “invention” of the glucosinolate-based chemical defense.
Comparing the evolutionary histories of these plants and butterflies side-by-side, the researchers discovered that major advances in the chemical defenses of the plants were followed by butterflies evolving counter-tactics that allowed them to keep eating these plants. This back-and-forth dynamic was repeated over nearly 80 million years, resulting in the formation of more new species, compared to other groups of plants without glucosinolates and their herbivores. Thus, the successful adaptation to glucosinolates enabled this butterfly family to rapidly diversify; and pierids are nowadays widespread with some species being very abundant worldwide, such as the Small White and the Large White. While most butterflies of this family now feed on Brassicales, some relatives stick with the ancestral preference for legumes and cannot detoxify glucosinolates. Secondary host shifts away from Brassicales have also taken place, with some species now feeding on other host plants such as mistletoes.
By sequencing the genomes of both plants and butterflies, the researchers discovered the genetic basis for this arms race. Advances on both sides were driven by the appearance of new copies of genes, rather than by simple point mutations in the plants’ and butterflies’ DNA. Furthermore butterfly species that first developed gene copies adapted to glucosinolates, but later shifted to feeding on non-Brassicales plants such as mistletoes, showed a different pattern. The genes responsible for the ‘mustard-adaptations’ have completely vanished from their genomes. Even an adaptation that took 80 million years to evolve can be discarded when it is no longer needed.
The research is the product of an international team of plant scientists from the University of Missouri, USA and butterfly biologists from Stockholm University, Sweden and the Max Planck Institute for Chemical Ecology, Germany.
Original Publication:
Edger, P.P., Heidel-Fischer, H. M., Bekaert, M., Rota, J., Glöckner, G., Platts, A. E., Heckel, D. G., Der, J. P., Wafula, E. K., Tang, M., Hofberger, J. A., Smithson, A., Hall, J. C., Blanchette, M., Bureau, T. E., Wright, S. I., dePamphilis, C. W., Schranz, M. E., Barker, M. S., Conant, G. C., Wahlberg, N., Vogel, H., Pires, J. C., Wheat, C. W. (2015). The butterfly plant arms-race escalated by gene and genome duplications. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA.
DOI 10.1073/pnas.1503926112
http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1503926112
Wettrüsten im Kohlfeld: Wie Schmetterlinge den Kohlpflanzen die Schärfe nahmen
Ein internationales Team von Wissenschaftlern konnte mit Hilfe genomischer Werkzeuge die Mechanismen eines uralten und immer noch andauernden Wettrüstens zwischen Kohlpflanzen und Schmetterlingslarven, die sich an diesen Pflanzen gütlich tun, entschlüsseln. Die Studie erscheint 50 Jahre nach der berühmten Arbeit von Paul Ehrlich und Peter Raven, die darin das Konzept der Koevolution vorstellten und dabei dieselben Schmetterlinge und Pflanzen als primäre Beispiele verwendeten. Die aktuelle Forschungsarbeit liefert nicht nur verblüffende Belege für die Koevolution, sie gewährt auch wichtige neue Einblicke in die genetischen Grundlagen beider Gruppen von Lebewesen. (PNAS, Juni 2015).
Die wichtigste Abwehr von Kohlpflanzen und ihren Verwandten aus den Familien der Kreuzblütlerartigen basiert auf einem Zwei-Komponenten-System, das aus nichtgiften Vorstufen, den Senfölglykosiden, sowie pflanzlichen Enzymen, den Myrosinasen, besteht. Beide sind räumlich voneinander getrennt und befinden sich in unterschiedlichen Bereichen des gesunden Pflanzengewebes. Wird das Gewebe allerdings verwundet, wenn eine Raupe daran frisst, werden beide Komponenten gemischt und die sogenannte „Senfölbombe“ wird aktiviert. In dieser chemischen Reaktion entsteht eine Reihe von giftigen Abbauprodukten. Genau diese Abbauprodukte sind es, die in bestimmten Konzentrationen für Menschen kulinarisch interessant werden und zum Beispiel als scharfer Senf oder Meerrettich auf den Tisch kommen. Auf nicht-angepasste Pflanzenfresser aber wirken diese Substanzen abschreckend oder sogar giftig. Allerdings haben sich einige Insekten auf den Verzehr von Kohlpflanzen spezialisiert und verschiedene Strategien entwickelt, die pflanzliche Verteidigung zu umgehen. Zu den Spezialisten gehören die Weißlinge, die sich bereits kurz nach der Entstehung von Pflanzen der Ordnung Kreuzblütlerartige auf die neuartige chemische Abwehr spezialisierten.
Als die Wissenschaftler die Stammesgeschichten dieser Pflanzen mit der der Schmetterlinge verglichen, fiel ihnen auf, dass auf die Fortschritte in der chemische Verteidigung von Pflanzen eine Anpassung der Schmetterlinge erfolgte, die es ihnen ermöglichten, ohne negative Folgen weiter an den Pflanzen zu fressen. Die Dynamik des Aufrüstens seitens der Pflanzen und der Anpassung der Insekten an neue Abwehrmechanismen wiederholte sich immer wieder in einem Zeitraum von fast 80 Millionen Jahren. Das Resultat des Wettrüstens ist die Herausbildung einer größeren Vielzahl von neuen Arten im Vergleich zu anderen Pflanzenarten ohne Senfölglykoside und deren Schädlingen. Infolge der erfolgreichen Anpassung an Senfölglykoside konnte auch die Schmetterlingsfamilie der Weißlinge zahlreiche neue Arten hervorbringen. Weißlinge sind heute weit verbreitet, einige Arten sind zahlreich auf der ganzen Welt anzutreffen, wie der Kleine und der Große Kohlweißling. Während die meisten Weißlinge an Kohlpflanzen fressen, gibt es verwandte Arten, welche die Vorliebe ihrer Vorfahren für Hülsenfrüchte beibehalten haben und Senfölglykoside nicht entgiften können. Auch sekundäre Wirtswechsel von Kohl auf andere Pflanzen haben stattgefunden; so gibt es einige Arten, die andere Wirtspflanzen erschlossen haben, wie zum Beispiel Misteln.
Die Sequenzierung der Genome sowohl der Pflanzen als auch der Schmetterlinge führte die Wissenschaftler schließlich zur genetischen Grundlage dieses Wettrüstenss: Die Weiterentwicklung wurde auf beiden Seiten durch neue Kopien bereits vorhandener Gene vorangetrieben und nicht etwa durch einfache Mutationen im Erbgut. Darüber hinaus fanden die Forscher heraus, dass Schmetterlingsarten, die sich erst an Senfölglykoside anpassten, später aber auf andere Wirtspflanzen, wie etwa Misteln, wechselten, ein anderes Muster zeigten. Die Gene, die für die Überwindung der Senfölbombe zuständig waren, sind aus ihrem Genom vollständig verschwunden. Dies zeigt, dass selbst eine Anpassung, die sich im Laufe eines evolutionären Zeitraums von 80 Millionen Jahren herausgebildet hat, entsorgt werden kann, wenn sie nicht länger gebraucht wird.
Die Forschungsarbeit ist das Resultat der Zusammenarbeit eines internationalen Teams von Pflanzenwissenschaftlern der Universität von Missouri, USA, von Schmetterlingsbiologen der Universität Stockholm, Schweden, und des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena.
Originalveröffentlichung:
Edger, P.P., Heidel-Fischer, H. M., Bekaert, M., Rota, J., Glöckner, G., Platts, A. E., Heckel, D. G., Der, J. P., Wafula, E. K., Tang, M., Hofberger, J. A., Smithson, A., Hall, J. C., Blanchette, M., Bureau, T. E., Wright, S. I., dePamphilis, C. W., Schranz, M. E., Barker, M. S., Conant, G. C., Wahlberg, N., Vogel, H., Pires, J. C., Wheat, C. W. (2015). The butterfly plant arms-race escalated by gene and genome duplications. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. DOI 10.1073/pnas.1503926112
http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1503926112
Topics
Species
