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Projekte

 

Ecometabolomics

Die qualitative und quantitative Zusammensetzung aller Inhaltsstoffe einer Pflanze (Metabolom) wird einerseits durch endogene Faktoren, andererseits durch verschiedene Umwelteinflüsse wie Nährstoffverfügbarkeit und Störungen beeinflusst. Veränderungen des Metabolitenmusters wirken sich direkt auf Organismen aus, die sich von der Pflanze ernähren. Wir untersuchen die Variation der Inhaltsstoffe mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung (mittels LC-Q-TOF-MS und GC-MS) sowie die Einflüsse solcher Veränderungen auf herbivore Organismen in standardisierten Laborsystemen und im Freiland (Abb. 1).

 

Einflüsse von Umweltbedingungen auf die Nischenanpassung

Caroline Müller

Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 212 (http://www.uni-bielefeld.de/biologie/crc212/) untersuchen wir, wie sich Individuen der Blattwespe Athalia rosae an ihre ökologische und soziale Nische anpassen und inwieweit diese Anpassungen adaptiv sind. Hierfür werden Tiere über zwei Generationen unter konstanten oder sich ändernden Umweltbedingungen angezogen und Auswirkungen auf Entwicklungsparameter, die Physiologie, Immunität und den chemischen Phänotypen der Individuen gemessen.

 

Einflüsse von sublethaler Insektizid-Exposition und Inzucht auf Entwicklung und Verhalten eines Blattkäfers

Thorben Müller

Insekten müssen sich an neue, anthropogen verursachte Lebensraumveränderungen anpassen. Die Zunahme von Urbanisierung und landwirtschaftlich genutzter Flächen bedingt eine vermehrte Insektizid-Exposition und Verkleinerung vieler Habitate und Populationen, was wiederum ein Inzuchtrisiko erhöht. In vorherigen Studien konnten wir zeigen, dass sich Faktoren wie Futterqualität und Aufzuchtsdichte signifikant auf die Entwicklung und das Verhalten der Larven und Adulten des Meerrettichblattkäfers Phaedon cochleariae auswirken. In diesem Projekt soll nun untersucht werden, welche Effekte sublethale Konzentrationen von Insektiziden sowie Inzucht auf Entwicklungs- parameter und Verhaltensphänotypen, sowie auf weitere physiochemische Eigenschaften des Blattkäfers haben.

Bericht uni aktuell vom 26. Juli 2017

 

Gegenanpassungen von Blattkäfern an die Wirtspflanzenabwehr

Svenja Geisler, Caroline Müller

Herbivore Insekten haben verschiedene Strategien evolviert, um Abwehrstoffe ihrer Wirtspflanzen zu entgiften. Die Pflanzenfamilie der Brassicaceae zeichnet sich durch das Glukosinolat-Myrosinase-Abwehrsystem aus, bei dem toxische Abbauprodukte wie Isothiocyanate freigesetzt werden, sobald das Substrat mit dem Enzym in Kontakt kommt. Insekten, die an Brassicaceae fressen, müssen daher die Glukosinolate so metabolisieren, dass die Bildung toxischer Abbauprodukte vermieden wird. Für einige Spezialisten wurden dafür bereits unterschiedliche Strategien gefunden. Wir untersuchen, unter Verwendung verschiedener chemisch-analytischer Methoden, den entsprechenden Entgiftungs- mechanismus bei Larven und Adulten von zwei Blattkäferarten, über deren Strategien bisher noch nichts bekannt ist (Abb. 3).

 

Einfluss der Rhizobiensymbiose auf das pflanzliche Metabolom und Herbivore

Rabea Schweiger

Knöllchenbakterien, sogenannte Rhizobien, leben in Symbiose mit Schmetterlings-blütlern. Die Bakterien kolonisieren die Pflanzenwurzeln, fixieren Luftstickstoff und liefern Stickstoffhaltige Verbindungen an die Pflanze, welche die Bakterien im Gegenzug mit Kohlenstoffhaltigen Verbindungen versorgt (Abb. 4). Der zusätzliche Eintrag an Stickstoff kann nicht nur den pflanzlichen Ertrag steigern, sondern auch die chemische Zusammensetzung der Pflanzen beeinflussen. Ziel des Projektes ist es, den Einfluss der Rhizobiensymbiose auf die Morphologie und Biochemie verschiedener Nutz- und Modellpflanzenarten zu untersuchen. Neben Veränderungen des gesamten Blattmetaboloms werden Effekte auf die Chemie des Phloemsafts untersucht. Eine modifizierte Pflanzenchemie kann Veränderungen der Futterqualität für Fraßfeinde der Pflanze zur Folge haben. So werden weiterführend pflanzenvermittelte Effekte auf die Entwicklung von Herbivoren verschiedener Fraßtypen untersucht.

 

Ökologische Rolle von Metall-Hyperakkumulation in Arabidopsis halleri

Clemens Stolpe, Caroline Müller

Die Pflanzenart Arabidopsis halleri (Brassicaceae, Abb. 5) kann an metallbelasteten Standorten überleben und ist darüber hinaus in der Lage, große Mengen an Schwermetallen wie Cadmium und Zink in ihrer oberirdischen Biomasse zu akkumulieren. Wir untersuchen die ökologische Rolle dieser Schwermetallanreicherung in Zusammenhang mit Phloem-saugenden Insekten, wie z. B. der grünen Pfirsichblattlaus Myzus persicae. Des Weiteren interessiert uns, ob es Tradeoffs zwischen der Verteidigung durch organische Metaboliten und den akkumulierten Schwermetallen in der Pflanze gibt. Bei diesem von der DFG geförderten Projekt kooperieren wir mit den Universitäten Bochum (Prof. Ute Krämer) und Bayreuth (Prof. Stephan Clemens).

Universität Bochum                        Universität Bayreuth

 

Invasive Insektenart in Ausbreitung?

Lisa Weißinger, Caroline Müller

Die aus Asien stammende Kirschessigfliege, Drosophila suzukii, wurde in Europa erstmals 2008 in Spanien nachgewiesen und hat sich seither in weiten Teilen des Kontinents als invasiver Schädling etabliert. 2011 tauchte diese Art erstmals in Deutschland auf und sorgt seitdem teilweise für enorme wirtschaftliche Schäden in Obst- und Weinbau. Im Rahmen eines durch die EU geförderten Interreg-Projektes (?Invaprotect?: PI: Dr. Michael Breuer, Staatliches Weinbauinstitut Freiburg) wird das Gefahrenpotential dieses Schadinsekts im Weinbau untersucht, indem die habitatabhängige Aktivität der Kirschessigfliege im Freiland erforscht wird. Außerdem wird die Präferenz der Kirschessigfliege für verschiedene Rebsorten in Laborversuchen getestet und mögliche Faktoren, die das Verhalten der Tiere beeinflussen, analysiert.

Zusammenarbeit mit Dr. Michael Breuer vom Staatlichen Weinbauinstitut Freiburg (http://www.wbi-bw.de/)

 

Etablierungsmechanismen invasiver Pflanzen

Lisa-Johanna Tewes, Caroline Müller

Pflanzenarten, die neu in ein Gebiet eingebracht wurden, in dem sie vorher nicht heimisch waren, können ein massives Problem darstellen, da sie sehr konkurrenzstark gegenüber heimischen Arten werden und diese verdrängen können. Zu den zugrunde-liegenden Mechanismen für diese erfolgreiche Etablierung existieren verschiedene Hypothesen. Unter anderem wird vermutet, dass sich in den invasiven Populationen möglicherweise aufgrund veränderter Herbivorendrücke das chemische Profil der Pflanzen verändern könnte und es damit zu einer Ressourcenverteilung hin zu konkurrenzstärkerem Wachstum kommt.


Das orientalische Zackenschötchen (Bunias orientalis, Abb. 7) stammt aus der Kaukasusregion, breitet sich aber innerhalb des eurasischen Kontinents immer weiter nach Westen aus. Wir vergleichen die chemische und morphologische Variabilität von Populationen unterschiedlicher Herkunft und untersuchen die Effekte individueller Unterschiede auf Interaktionen mit herbivoren Insekten und Pathogenen im Freiland.

 

Allelopathie in einer invasiven Pflanze

Elisabeth J. Eilers

Allelopathie kann nicht-dominaten Arten ermöglichen in neue Gebiete einzudringen und sich dort erfolgreich gegen die neuen Nachbarpflanzen durchzusetzen. Reiherschnabel (Erodium cicutarium, Geraniaceae, Abb. 8) ist ein Unkraut in verschiedenen Feldanbau-Systemen und aufgrund dessen eine gut untersuchte Pflanze in Bezug auf ökologische Eigenschaften, die der Pflanze ermöglichten, in Nordamerika invasiv zu werden. Die Pflanze zeigt eine hohe morphologische Anpassungsfähigkeit an Umweltbedingungen. Die chemische Plastizität und im speziellen allelopathische Effekte wurden jedoch bislang kaum untersucht. Wir untersuchen ob und wie spezialisierte Metaboliten der unter- und oberirdischen Pflanzenteile Überleben und Biomasseproduktion von landwirtschaftlichen Nachbarpflanzen beeinflussen.

 

Chemische Diversität von Tanacetum vulgare und Interaktionen mit der Umwelt

Ruth Jakobs, Caroline Müller

Der Gemeine Rainfarn, Tanacetum vulgare, kann anhand unterschiedlicher Terpenprofile der Blätter in verschiedene Chemotypen unterteilt werden. Diese hohe chemische Diversität kann Interaktionen mit Herbivoren beeinflussen (Abb. 9). So können spezialisierte Blattläuse eine Präferenz für bestimmte Chemotypen zeigen. Die Phloemsaftzusammensetzung und Blatt-Seneszenz kann wiederum von der befallenden Blattlausart abhängen. Wir untersuchen, ob sich die Phloemsaftzusammensetzung zwischen den Chemotypen (in Abhängigkeit von Blattlausbefall) unterscheidet und ob die verschiedenen Blattlausspezialisten verschiedene Signalwege und somit unterschiedliche Metaboliten induzieren.

 

Florivorie versus Bestäubung einer Terpen-reichen Pflanze

Elisabeth J. Eilers

Bestäubungsabhängige, pollenreiche Pflanzen könnten einem Zielkonflikt zwischen der Abschreckung Pollen-fressender Insekten und der Anziehung Pollen-verteilender Insekten ausgesetzt sein. Rainfarn (Tanacetum vulgare, Asteraceae) prägt Chemotypen aus, die eine charakteristische Zusammensetzung an Terpenen in den Blättern und Blüten aufweisen und von Herbivoren unterschiedlich stark frequentiert werden. In diesem Projekt wird untersucht, ob ebenfalls ein Zusammenhang zwischen Chemotypen und Bestäubung besteht und ob sich die Terpen-Zusammensetzung nach erfolgreicher Bestäubung oder Anwesenheit von Florivoren ändert (Abb. 10).

 

Das Phloemsaft-Metabolom und seine Relevanz für Blattläuse

Rabea Schweiger, Caroline Müller

Im pflanzlichen Phloemsaft werden diverse primäre und spezialisierte Inhaltsstoffe transportiert. Abiotische und biotische Umweltfaktoren können chemische Veränderungen der Phloemsaftzusammensetzung verursachen. Ziel diverser Projekte bei uns ist es herauszufinden, wie die Phloemchemie verschiedener Pflanzenarten durch Umweltfaktoren (z. B. Düngung, Trockenstress, Konkurrenz, Symbiosen) verändert wird. Reiner Phloemsaft kann aus intakten Pflanzen mit Hilfe eines Lasermikroskops (Aphidentechnik, Abb. 11) gewonnen und dann chemisch analysiert werden. Um zu verstehen, wie Phloemsaftkonsumierende Herbivore (z. B. Blattläuse) durch Veränderungen der Phloemchemie beeinflusst werden, wird deren Entwicklung auf künstlichen Phloemsaft-Imitaten verschiedener Zusammensetzung verglichen (Abb. 12). Chemische Analysen von Honigtau, der von den Blattläusen abgegeben wird, geben zudem Einblicke in die Verstoffwechselung der Diät. Ziel dieser Studien ist es, die für die Blattlausernährung relevanten Faktoren zu charakterisieren, sowie das Schädlingspotential von Blattläusen in der Natur zu verstehen.

 

Auswirkungen von Trockenstress auf das Wechselspiel von Weizen, Mykorrhiza und Blattläusen

Jana Stallmann, Caroline Pons, Rabea Schweiger, Caroline Müller

Der Einfluss des Klimawandels auf landwirtschaftliche Nutzpflanzen spielt schon seit längerer Zeit eine große Rolle. Insbesondere steigende Temperaturen, CO2-Konzentrationen und intensivere Trockenstressperioden sind hierbei von Bedeutung. In diesem Projekt werden die Auswirkungen von kontinuierlichem und pulsierendem Trockenstress auf Weizen in Abhängigkeit des Mykorrhizierungsgrades, sowie die weitergehenden Einflüsse auf die Entwicklung und Präferenzen von Blattläusen untersucht (Abb. 13 und 14). Dabei wird analysiert, in wie weit die beobachteten Effekte auf Schädlinge mit Veränderungen im Primär- und spezialisierten metabolom der Blätter und Früchte bzw. des Phloemsaftes dieser Pflanzenteile korreliert werden können.

 

Die Effekte von Herbivorie auf die Expression von Inzuchtdepression

Karin Schrieber

Inzuchtdepression beschreibt die Reduktion der Fitness bei Nachkommen, die aus der Verpaarung nahe verwandter Eltern hervorgegangen sind. Die schädlichen Effekte von Inzucht können sich unter anderem in reproduktiven Merkmalen (z.B. Anzahl der von Pflanzen produzierten Blüten) oder in der Resistenz gegen bestimmte Stressfaktoren (z.B. Herbivoren) entfalten. In diesem Projekt untersuchen wir die interaktiven Effekte von Inzucht und Herbivorie auf europäische und nordamerikanische Populationen der Pflanze Silene latifolia (Weiße Lichtnelke, Abb. 15). Wir untersuchen:

i) die Effekte von Inzucht auf die Komposition von spezialisierten Metaboliten, die potentiell in die pflanzliche Abwehr gegen Herbivoren involviert sind,

ii) ob diese Veränderungen im Metabolom die Intensität der Herbivorie beeinflussen und

iii) ob Herbivorie die Expression von Inzuchtdepression in reproduktiven Merkmalen beeinflusst.

Darüber hinaus interessiert uns, wie sich diese Inzucht x Herbivorie Interaktionen im Hinblick auf Unterschiede in der Intensität der Herbivorie zwischen nativem und invadiertem Gebiet auf die Evolution von Resistenzmerkmalen auswirken.