In einer neuen Studie im Journal PLOS-Biologie, Ein internationales Forschungsteam unter Leitung von Forschern des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie weist nach, dass der Europäische Fichtenborkenkäfer Ips typografus nutzt flüchtige pilzliche Stoffwechselprodukte pflanzlicher Abwehrstoffe als wichtige chemische Signale für ihren Angriff auf Fichten. Die Forscher zeigen auch, dass die Insekten olfaktorische sensorische Neuronen haben, die darauf spezialisiert sind, diese flüchtigen Verbindungen zu erkennen. Die Stoffwechselprodukte der Pilze geben den Käfern wahrscheinlich wichtige Hinweise auf das Vorhandensein von nützlichen Pilzen, den Abwehrstatus der Bäume und die Populationsdichte ihrer Artgenossen. Die Studie unterstreicht die Bedeutung der chemischen Kommunikation für die Aufrechterhaltung der Symbiose zwischen Borkenkäfern und ihren Pilzpartnern.
Die in den letzten Jahren beobachteten Massenausbrüche von Borkenkäfern haben in ganz Deutschland erschreckende Waldschäden verursacht. Wie das Statistische Bundesamt im Juli 2022 mitteilte, wurden mehr als 80 % der Bäume, die im Vorjahr gefällt werden mussten, durch Insekten geschädigt. Der Schadholzeinschlag durch Insektenfrass belief sich auf über 40 Millionen Festmeter. Einer der Hauptschädlinge ist der Europäische Fichtenkäfer Ips typografus. Im Thüringer Wald und im Harz traf der nur wenige Millimeter große Käfer beispielsweise auf Fichtenmonokulturen, die bereits durch hohe Temperaturen und längere Trockenperioden geschwächt waren, was die Ausbreitung des Schädlings erleichterte und zu einer Ausbreitung führte das Absterben riesiger Waldbestände innerhalb kurzer Zeit.
Forscher wissen bereits, dass chemische Kommunikation eine wichtige Rolle bei Borkenkäfer-Massenangriffen spielt. Käfer suchen sich zunächst einen geeigneten Baum aus und geben dann sogenannte Aggregationspheromone ab. Diese Pheromone locken Artgenossen in der Nähe zu einem Massenangriff, der die Abwehrkräfte des Baumes überwindet. Fichten, deren Abwehrkräfte bereits durch Belastungen geschwächt sind, werden leichter überwunden.
Borkenkäfer mögen den Geruch ihrer symbiotischen Pilze
Fichtenborkenkäfer brauchen pilzliche Verbündete, um sich erfolgreich in den Bäumen zu vermehren. Die Pilze sind Ektosymbionten, symbiotische Partner, die außerhalb der Käfer leben. Jede neue Käfergeneration muss ihre symbiotischen Pilze finden und sie zu einem neuen Wirtsbaum tragen.
In einer neuen Studie berichtet ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Dineshkumar Kandasamy (jetzt an der Universität Lund, Schweden) und Jonathan Gershenzon vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena, Deutschland, dass der Europäische Fichtenborkenkäfer seine pilzlichen Partner finden kann auf die flüchtigen chemischen Verbindungen, die die Pilze beim Abbau von Fichtenharzbestandteilen freisetzen. „Wir konnten bereits zeigen, dass Borkenkäfer von ihren Pilzpartnern angezogen werden, wenn diese auf Standard-Pilzwachstumsmedium kultiviert werden. Jetzt wollten wir wissen, was passieren würde, wenn wir Pilze auf einem natürlicheren Medium mit Fichtenrindenpulver anbauen würden. Würden Käfer jetzt von Pilzen angelockt werden? Wenn ja, welche chemischen Verbindungen wären für die Anziehung verantwortlich und woher stammen diese Chemikalien?“ erläutert Erstautor Dineshkumar Kandasamy die Ausgangsfragen der Studie.
Pilze wandeln die chemischen Abwehrstoffe der Fichte in Lockstoffe für die Käfer um
Europäische Fichtenborkenkäfer sind mit Pilzpartnern verschiedener Gattungen vergesellschaftet. Der Pilz Grosmannia penicillata wuchs besonders gut auf dem Fichtenrindenmedium und produzierte mehr flüchtige Verbindungen als die meisten anderen getesteten Pilze. Daher konzentrierten die Forscher ihre Untersuchungen auf diesen Pilz. Die Forscher richteten spezielle Versuchsfelder ein, in denen sie testen konnten, ob die Käfer von flüchtigen Verbindungen angezogen wurden, die von den Pilzen abgegeben wurden.
„Wir haben zuerst festgestellt, dass europäische Fichtensplintkäfer von den flüchtigen Stoffen angezogen werden, die von ihren assoziierten Pilzen abgegeben werden, wenn Pilze auf Medium mit Fichtenrindenpulver wachsen. Wir haben jedoch auch gezeigt, dass Pilze Terpenverbindungen aus Fichtenharz in ihre sauerstoffhaltigen Derivate umwandeln können und das Einige dieser von Pilzen produzierten Metaboliten sind für Borkenkäfer besonders attraktiv. Die allgemeine Schlussfolgerung ist, dass diese flüchtigen Stoffe als chemische Signale dienen, die die Symbiose zwischen Borkenkäfern und ihren assoziierten Pilzen am Laufen halten“, sagt Dineshkumar Kandasamy.
Die Forscher fanden heraus, dass auch krankheitserregende Pilze, die den Käfern schaden, Fichtenharzverbindungen verstoffwechseln können. Im Gegensatz zu den Metaboliten der symbiotischen Pilze sind die resultierenden Derivate jedoch für Borkenkäfer nicht attraktiv. Borkenkäfer können daher anhand ihres Geruchssinns unterscheiden, ob die im Baum vorhandenen Pilze gut oder schlecht für sie sind. Besonders überrascht waren die Wissenschaftler, als die Verhaltensbeobachtungen zeigten, dass Pilzpartner die Käfer nicht nur anlockten, sondern sie auch zum Tunneln anregten.
Borkenkäfer haben Geruchssinneszellen in ihren Antennen, die darauf ausgerichtet sind, flüchtige Verbindungen des Pilzstoffwechsels wahrzunehmen
Weitere Hinweise, dass pilzliche Stoffwechselprodukte bereits pilzbefallene Fichten für Borkenkäfer noch attraktiver machen, lieferten elektrophysiologische Untersuchungen zur Geruchswahrnehmung der Käfer. Dabei wurde die Reaktion einzelner Riechsensillen an den Käferantennen auf unterschiedliche Gerüche getestet. Die Forscher konnten zeigen, dass die Borkenkäfer bestimmte Geruchsneurone besitzen, die in Sensillen untergebracht sind und darauf spezialisiert sind, sauerstoffreiche Monoterpene zu erkennen, die von den Pilzen abgegeben werden.
„Indem sie die Anziehungskraft des Borkenkäfers auf bestimmte Bäume erhöhen, könnten flüchtige Bestandteile des Pilzes die Intensität und den Erfolg von Massenangriffen erhöhen Pilze, die ursprünglich vom Baum als Abwehr produzierte Harzbestandteile verstoffwechseln, könnten Hinweise darauf geben, welche Pilze virulent sind und dem Käfer gute Partner sein könnten“, sagt Jonathan Gershenzon.
Die Ergebnisse dieser neuen Studie könnten dazu beitragen, die Bekämpfung von Borkenkäferausbrüchen zu verbessern. Eine der am weitesten verbreiteten Strategien im Kampf gegen diese Schädlinge sind Pheromonfallen, aber diese waren bei der Verhinderung neuer Ausbrüche nicht wirksam. Daher prüfen die Forscher nun, ob sich diese Geruchsverschlüsse durch Zugabe von sauerstoffhaltigen Monoterpenen aus dem Pilzstoffwechsel optimieren lassen. Ein wichtiges Ziel des Forschungsteams ist es, mehr über den Stoffwechsel der Fichtenharzverbindungen in den Pilzen zu erfahren und herauszufinden, ob dies eine Entgiftungsreaktion für den Pilz oder für den Käfer sein kann.