Die Wespenart Lysiphlebus fabarum und ihr Wirt, die schwarze Bohnenblattlaus (Aphis fabae). Die toten braunen Blattläuse sind sogenannte Mumien – sie wurden erfolgreich von den Wespenlarven parasitiert und schließlich getötet. In der Mumie verpuppt sich die Wespe und steigt dann durch ein rundes „Ausstiegstürchen“, das sie mit den Kiefern ausschneidet. Foto: Christoph Vorburger
(08.06.2020) DÜBENDORF (ZÜRICH): Blattläuse und Schlupfwespen sind sich spinnefeind. Um sich gegenseitig auszustechen, rüsten sie mit immer neuen Geheimwaffen auf.
Blattläuse sind lästige, kleine Biester – zumindest in den Augen von Hobbygärtnern und Landwirten. Der Grund: Die Pflanzensauger entziehen ihren Opfern den energiereichen Phloemsaft und entwickeln sich schnell zur Plage, denn sie vermehren sich über die sogenannte zyklische Parthenogenese in einem rasanten Tempo. „Im Frühling und über den Sommer hinweg produzieren die weiblichen Blattläuse am laufenden Band klonale Nachkommen. Nur im Herbst kommen männliche und weibliche Tiere zusammen, vermehren sich sexuell und bilden Eier, die überwintern können“, weiß Christoph Vorburger, der seit seiner Postdoc-Zeit im australischen Melbourne an den Insekten forscht. Heute ist Vorburger Leiter der Abteilung Aquatische Ökologie am „Wasserforschungsinstitut des ETH-Bereichs“ – kurz Eawag – in Dübendorf bei Zürich. „Der Forschungsschwerpunkt meiner Arbeitsgruppe liegt in der evolutionären Ökologie, besonders der Koevolution von Wirten und Parasiten“, beschreibt Vorburger und ergänzt: „Persönlich finde ich vor allem Organismen spannend, die sich sowohl sexuell als auch asexuell vermehren – daher auch die Faszination für die Blattläuse.“
Ein weiterer Grund für das Forschungsinteresse an den Insekten: Blattläuse gehören weltweit zu den wichtigsten landwirtschaftlichen Schädlingen. Zwar kann die chemische Bekämpfung mit Pestiziden sehr effektiv sein, sie hat jedoch auch verheerende Auswirkungen auf die biologische Vielfalt und birgt Risiken für die menschliche Gesundheit. Der Ruf nach biologischen Schädlingsbekämpfern ertönt deshalb immer lauter. Ein besonders vielversprechender Kandidat: die Schlupfwespe. Der Grund sind ihre parasitoid-lebenden Larven, die praktischerweise mit ihrem Essen äußerst wählerisch sind und dadurch als Schädlingsbekämpfer eingesetzt keine anderen Insekten- oder Spinnenarten gefährden.
„Mein Interesse entfachte schließlich vollends, als ich während der Literaturrecherche auf eine Schlupfwespen-Art gestoßen bin, die sich ebenfalls asexuell vermehren kann und in Europa vorkommt“, nennt Vorburger die Motivation, warum er vor Jahren die Wespe Lysiphlebus fabarum in sein Labor brachte. „Dank ihrer klonalen Vermehrung können wir die genetische Diversität der beiden Antagonisten quasi einfrieren und die exakt gleiche Infektion immer wieder replizieren.“
L. fabarum ist der Hauptparasitoid der in Vorburgers Forschungsgruppe studierten Schwarzen Bohnenblattlaus (Aphis fabae). Die Vermehrungsstrategie ist unter Schlupfwespen recht ähnlich. Bei L. fabarum legt das Wespen-Weibchen ihr Ei direkt in den Blattlauskörper, wo die Larve schlüpft und das Innere des Pflanzensaugers auffrisst. Anschließend verpuppt sich die Wespe und steigt als fertiges Tier aus einem Loch des mittlerweile toten Wirtes heraus, das sie mit ihren Mandibeln in den Blattlaus-Rücken gestanzt hat.
Die Haltung der Schlupfwespen im Labor entpuppte sich für Vorburger jedoch als kleines Desaster: Die Hautflügler gediehen mehr schlecht als recht. „Ich war deswegen nicht überrascht und dachte mir: ‚Vielleicht sind die Wespen einfach nicht an das Labor angepasst’“, so Vorburger. „Aber es gelang mir dann doch, ein paar Linien zu züchten, mit denen ich arbeiten konnte.“
Einige Artikel von Blattlaus-Kollegen aus den USA machten Vorburger dann doch stutzig, denn sie hatten in den Pflanzensaugern symbiotische Bakterien aufgespürt. „Die Blattläuse tragen alle ein Bakterium in sich mit dem Namen Buchnera – das ist schon länger bekannt. Die Bakterien helfen den Blattläusen zu überleben, denn der Phloemsaft ist zwar sehr reich an Zucker, aber äußerst arm an Aminosäuren und hat kaum Vitamine“, beschreibt Vorburger die schon vor mehr als 100 Millionen Jahren eingegangene Symbiose der beiden Partner. „Zu Beginn meiner Forschung an Blattläusen waren andere symbiotische Bakterien überhaupt nicht bekannt.“
Aber die Studien der US-amerikanischen Kollegen zeigten, dass auch noch andere fakultative Symbionten in den Blattläusen gefunden worden waren. „Dabei handelte es sich auch noch genau um ein Bakterium, welches Blattläuse vor parasitoiden Schlupfwespen schützt – womöglich auch in meinen Tieren. Ich bin dann nicht drum herum gekommen, in meinen Tieren nach den Bakterien zu schauen und musste bitter feststellen, dass sie von den beschriebenen Bakterien infiziert waren“, so Vorburger und lacht: „Ich habe quasi versucht, eine Wespenzucht auf resistenten Wirten aufzubauen.“
Hamiltonella defensa heißt der vererbbare bakterielle Endosymbiont, der den Schlupfwespen das Leben schwer macht. Er produziert ein Toxin, das für die Blattläuse selbst ungefährlich scheint, die Eier beziehungsweise Larven der parasitoiden Wespen hingegen vergiftet. Doch die Hautflügler sind dem nicht schutzlos ausgeliefert, wie Vorburger und sein Team bereits 2017 zeigen konnten (Evolution 71(11): 2599-617). „In der Studie haben wir beobachtet, wie sich die Wespen an die Resistenzen der Blattläuse anpassen“, beschreibt der Schweizer Biologe das Evolutionsexperiment. Vorburger und sein Team um Erstautorin Alice Dennis beobachteten über mehr als zwanzig Generationen die natürliche Selektion der Wespen und erhielten schlussendlich Wespen-Linien, denen die vermeintliche Resistenz der Blattläuse nichts mehr anhaben konnte.
Sie erforschen die evolutionäre Ökologie: Christoph Vorburger, Alice Dennis, Silvan Rossbacher und Elena Gimmi. Fotos (5): Privat
Das Interessante dabei: Das Schweizer Team verwendete separat zwei Hamiltonella-Stämme. Die Anpassung der Wespen gegenüber einem der beiden Stämme funktionierte nicht automatisch auch beim anderen Stamm. „Die Wespen-Linie, die mit dem Bakterium des Stammes H76 keine Probleme hatte, war gegen Bakterien des Hamiltonella-Stammes H402 machtlos, die Blattläuse überlebten – und umgekehrt“, so Vorburger.
Warum die Hamiltonella-Stämme den Schutz der Blattläuse gegenüber angepassten Wespen-Linien nicht mehr auftrechterhalten können, bleibt ein Rätsel. „Unsere Daten legen nahe, dass der Genotyp der Wespen-Mutter dabei eine größere Rolle spielt, als der ihrer Larve.“ Sprich: Die Mutter macht wahrscheinlich die Bakterien für ihren Nachwuchs unschädlich und hebelt damit die Resistenz der Blattläuse aus – der Nachwuchs ist an der Verteidigungsstrategie nicht beteiligt. Eine Vermutung, wie die mütterliche Abwehr aussehen könnte, hat Vorburger: „Die Wespe injiziert mit dem Ei gleichzeitig einen vielfältigen Molekül-Cocktail. Einige dieser Stoffe sind beispielsweise dafür da, die Immunabwehr des Wirtes zu unterbinden. Möglicherweise verabreichen die angepassten Wespen-Linien, denen Hamiltonella nichts mehr ausmacht, einen weiteren Stoff, der dafür verantwortlich ist und den Nachwuchs schützt.“
Nachdem das Team die an die Resistenzen angepassten Wespen-Linien gezüchtet hatte, waren sie äußerst neugierig, wie sich diese als biologische Schädlingsbekämpfer schlagen sollten. Gemeinsam mit dem ehemaligen Master-Studenten Silvan Rossbacher konnte Vorburger die Frage dieses Jahr beantworten (Evol. Appl., doi: 10.1111/eva.12934).
Dabei verglichen sie die Fähigkeiten der jeweiligen Wespen-Linien, Blattlaus-Populationen in Käfigen zu kontrollieren. Die Blattlaus-Populationen umfassten sechzig Prozent ungeschützte und vierzig Prozent von Hamiltonella-Bakterien geschützte Tiere – das gleiche Verhältnis, das in der Regel auch im Freiland herrscht. Das Ergebnis: Parasitoid-Wespen, die nichts gegen Hamiltonella auszurichten vermochten, hatten praktisch keinen Einfluss auf die Populationsdynamik der Blattläuse. Die angepassten Wespen hingegen kontrollierten die Blattläuse erfolgreich und konnten die Pflanzen so vor dem Tod retten. Interessanterweise veränderte die Selektion der Parasitoide die Zusammensetzung der Blattlaus-Population sehr spezifisch, wie Vorburger erklärt: „Für unsere Versuche haben wir erneut die beiden Hamiltonella-Stämme H76 und H402 verwendet. Mittels DNA-Sequenzierung konnten wir zeigen, dass in Experimenten mit Wespen, die an den Stamm H76 angepasst waren, die Blattlaus-Population am Ende signifikant mehr Individuen beinhaltete, die vom anderen Stamm H402 infiziert waren – und andersherum.“
Was die Ergebnisse auch zeigten: Wurden die Blattläuse nicht von Schlupfwespen malträtiert, verschob sich das Verhältnis zu Gunsten der Hamiltonella-freien Blattläuse. „Die Bakterien scheinen ihrem Wirt schon etwas abzuverlangen. Nur wenn Wespen da sind und sich die Blattläuse schützen müssen, lohnt sich dieser Pakt für die Blattläuse“, so Vorburger.
„Die spannende Frage lautet nun, ob sich die angepassten Wespen als Schädlingsbekämpfer nicht nur im Labor beweisen, sondern auch eine Nummer größer – im Treibhaus“, so Vorburger. Doch hier hört die Arbeit von ihm und seiner Gruppe auf. „Wir verfügen räumlich nicht über die Möglichkeiten für ein solches Experiment und haben deshalb unser Know-how einem Projekt in den Niederlanden zur Verfügung gestellt.“ Geleitet wird das Vorhaben von Bart Pannebakker von der Universität Wageningen, der Zugang zu Gewächshäusern hat und den Einfluss der Blattlaus-Endosymbionten auf die biologische Schädlingsbekämpfung weiter ergründen möchte. Neben Vorburger, der den Projektpartnern beratend zur Seite steht, ist auch der niederländische Nützlingshersteller Koppert beteiligt.
Für das Team an der Eawag geht die Blattlaus-Wespen-Forschung indes im Feld weiter: Doktorandin Elena Gimmi untersucht die Dynamik der Hamiltonella-Symbionten in freier Natur. „Im Prinzip schauen wir, ob wir Evidenz für die Beobachtungen aus dem Labor finden – auch, ob sich die Infektionsrate mit Hamiltonella möglicherweise über die Jahreszeiten verändert, je nach Selektionsdruck durch die Wespen“, kommentiert Vorburger. Er ist zuversichtlich, dass sie ihre Laborergebnisse stützen können, und sich dennoch darüber im Klaren, dass da noch eine Menge Arbeit auf die Gruppe zukommt.