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Käfer riechen auch mit dem Mund

Forschung Marburg: Insekten-Forschung Käfer riechen auch mit dem Mund

Käfer nehmen Gerüche nicht nur mit Antennen wahr, sondern auch mit ihren Mundwerkzeugen, haben Biologen herausgefunden.

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Neben den Antennen (links und rechts) enthalten auch die Mundtaster (Mitte oben) des Reismehlkäfers Nervenzellen (grün gefärbt) für die Wahrnehmung chemischer Signale.

Quelle: Uni/AG Schachtner

Marburg. Käfer nutzen Antennen und Mundwerkzeuge, um sowohl Geruch als auch Geschmack wahrzunehmen. Das haben Biologen der Universitäten Marburg und Göttingen herausgefunden, indem sie Kopf- und Gehirnstrukturen von Käfern präzise beschrieben und die Aktivität der Gene nachwiesen, die Riechen und Schmecken ermöglichen.

„Bisher sind wir immer davon ausgegangen, dass Insekten vor allem mit ihren Antennen die Gerüche in ihrer Umwelt wahrnehmen“, erläutert der Marburger Biologe Professor Joachim Schachtner.

Doch eine jetzt veröffentlichte Studie von Schachtner und seinem Team zusammen mit Biologen der Göttinger Universität hat neue Erkenntnisse zu bieten: Auf den Mundwerkzeugen von Käfern gibt es zusätzliche spezielle Rezeptoren, die für die Wahrnehmung von Düften zuständig sind.

Der Geruchssinn hat eine wichtige Bedeutung für das Überleben und die Vermehrung der meisten Tiere: Sie folgen Duftstoffen unter anderem zu Nahrungsquellen und zu Paarungspartnern. Unter anderen Faktoren ist es aber neben der visuellen Orientierung auch der Geruchssinn, der beispielsweise Stechmücken zu Menschen hinführt. „Käfer besitzen als größte Insektengruppe eine enorme ökologische und ökonomische Bedeutung“, hebt der Marburger Neurobiologe Schachtner hervor. „Dennoch greifen die meisten Fachkollegen bislang auf andere Modellorganismen zurück, wenn sie sich mit dem Geruchssinn der Insekten beschäftigen, etwa auf Fliegen, Schmetterlinge oder die Honigbiene“, fügt Koautor Professor Ernst A. Wimmer an, Entwicklungsbiologe an der Uni Göttingen.

Baupläne für Duftrezeptoren

Für die aktuelle Studie nahmen die Forscher den Rotbraunen Reismehlkäfer „Tribolium castaneum“ genauer unter die Lupe. Er gilt weltweit als einer der häufigsten Schädlinge, der getrocknetes Getreide befällt. Eine wichtige Voraussetzung für die Forschungen war die Entschlüsselung des Genoms des Rotbraunen Reismehlkäfers im Jahr 2009, an der auch Schachtner beteiligt war (siehe Artikel unten). Neben den Antennen (Fühlern) verfügt der Rotbraune Reismehlkäfer über zwei Paar Mundtaster, die sogenannten Palpen. Die Wissenschaftler stellten jetzt fest, dass in den Palpen sehr viele Gene aktiv sind, die besondere Baupläne für Duftrezeptoren enthalten. Zudem sind auch Geschmacksrezeptoren gleichmäßig über Antennen und Mundwerkzeuge verteilt. Diese seien also nicht exklusiv entweder für das Schmecken oder das Riechen der Käfer zuständig, erklärt der Marburger Biologe Dr. Martin Kollmann, zusammen mit Dr. Stefan Dippel (Göttingen) Erstautor der Studie.

Die Wissenschaftler untersuchten außerdem, wo die Duftinformationen verarbeitet werden. So entdeckten sie im Unterschlundbereich eine bislang unbekannte Region des Nervensystems. Diese nimmt die Geruchssignale aus den Mundwerkzeugen auf, während die entsprechenden Signale der Antennen dann wie bei anderen Insekten üblich im Gehirn verarbeitet werden. „Die Duft-Sinneseindrücke der Mundwerkzeuge und der Antennen werden im Zentralnervensystem zunächst getrennt erfasst“, analysiert Wimmer die Befunde der Forscher.

Erste Vergleichsuntersuchungen bei anderen Käferarten haben den Forschern laut Schachtner bereits gezeigt, dass auch die Mundwerkzeuge wohl eine ähnliche Rolle bei der Geruchswahrnehmung spielen. Zudem wurden nach der „Käfer“-Studie der Wissenschaftler aus Göttingen und Marburg Untersuchungen veröffentlicht, die auf ein ähnliches Phänomen bei der Malariamücke hindeuten. Möglicherweise sind die Erkenntnisse also sogar auf mehr Insektenarten als bisher gedacht übertragbar. Welche Rolle die Mundwerkzeuge der Käfer bei det Geruchswahrnehmung genau spielen, das wollen die Wissenschaftler nun weiter erforschen. Wenn die Funktionsweise noch besser entschlüsselt werden könnte, könnte dies in Zukunft eventuell sogar zu einer gezielteren Schädlingsbekämpfung mit beitragen.

von Manfred Hitzeroth

Rotbrauner Reismehlkäfer als Modelltier

Der Marburger Neurobiologe Professor Joachim Schachtner gehörte zu dem Team, das im Jahr 2009 das Genom des Rotbraunen Reismehlkäfers ( Foto: CSIRO) veröffentlichte.

Im renommierten Wissenschaftsmagazin „Nature“ wurde in der Online-Ausgabe vom 23. März 2009 die Gensequenz des Rotbraunen Reismehlkäfers „Tribolium castaneum“ veröffentlicht. Der Biologe Professor Joachim Schachtner von der Philipps-Universität Marburg zeigte in der dazugehörigen Veröffentlichung zusammen mit 63 weiteren Forschern, dass Tribolium sich von allen zuvor untersuchten Insekten durch Gene unterscheidet, die in ähnlicher Form auch beim Menschen vorkommen.

Am Baylor College of Medicine in Houston (Texas) war die Forschungszentrale für die Entschlüsselung des Genoms von Tribolium angesiedelt. Wissenschaftler aus der ganzen Welt, darunter aus den USA, China, Japan, England, der Schweiz und Deutschland, gehören zu dem Konsortium, das Tribolium erforscht und gemeinsam für die Veröffentlichung in der Zeitschrift „Nature“ verantwortlich zeichnete.

Schachtners Marburger Arbeitsgruppe war damals zusammen mit Forschern aus den USA, Japan und Jena für die Analyse von Molekülen zuständig, die als Botenstoffe im Nervensystem fungieren. Der Rotbraune Reismehlkäfer ist ein Tier, das besonders in der Landwirtschaft gefürchtet ist. Die nur etwa drei Millimeter großen Tiere leben als Getreideschädlinge vor allem in Mehl. Die Art ist seit einigen Jahren als neues Modelltier in der Entwicklungsbiologie etabliert. Einer der wichtigsten Modellorganismen ist daneben die Fruchtfliege Drosophila, die seit Jahrzehnten molekulargenetisch erforscht wird.

Bei den Forschungen in der Folge der Genom-Entschlüsselung, die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wurden, kombinierten die Wissenschaftler um Schachtner sowie Kollegen der Universität Göttingen in einem DFG-Schwerpunktprogramm (siehe „Hintergrund“) Methoden aus der Genetik sowie der Neurobiologie und der Neuroanatomie.

Ziel der Forschungen war es zunächst, durch die Analyse des Geruchssystems von Tribolium auf allen Ebenen zu einem übergreifenden Verständnis zu kommen, wie dazugehörige Informationen aufgenommen, codiert und weitergegeben werden. Das ist auch deswegen eine komplexe Angelegenheit, weil dabei Hunderte von unterschiedlichen Rezeptoren die Duftstoffe aus der Umgebung aufnehmen.

Mit Hilfe von Screenings identifizierten die Wissenschaftler einzelne Gene, die in diesen Prozessen eine entscheidende Rolle spielen.

Dabei hatten die Forscher zwar nur eine ungefähre Vorstellung davon, welche Ergebnisse sie zu erwarten hatten. Trotzdem war die Entdeckung, dass sich auch in den Mundwerkzeugen Geruchsrezeptoren befinden, überraschend. So wurde auch ein parallel zu dem Zentrum im Gehirn der Käfer vorhandenes zweites Verarbeitungszentrum entdeckt, das sich im sogenannten „Unterschlundganglion“ befindet, also einem Teil des zentralen Nervensystems unterhalb des Mundes. Diese neue Struktur wurde mit Hilfe von genetischen Methoden entdeckt, berichtet Schachtner.

Einprägsam sichtbar gemacht werden können die wichtigen Moleküle durch die Forscher mithilfe von fluoreszierenden Farbstoffen.

Hintergrund
In einem Schwerpunktprogramm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), das jetzt ausgelaufen ist, erforschten Arbeitsgruppen der Universitäten Marburg und Göttingen seit 2009 den Geruchssinn des Rotbraunen Reismehlkäfers „Tribolium castaneum“. Es war eines von insgesamt 16 Teilprojekten des DFG-Schwerpunktprogramms zur integrativen neurowissenschaftlichen Analyse des Geruchssinns, das von der Universität Konstanz aus koordiniert wurde. In interdisziplinären Arbeitsgruppen wurde dabei unter anderem bei Insekten, Zebrafischen, Mäusen und beim Menschen die Funktionsweise des sogenannten „olfaktorischen Systems“ (Geruchssystems) erforscht, das üblicherweise durch eine schnelle Verbindung zwischen einer Stimulation und einer Verhaltensreaktion gekennzeichnet ist. Beispielsweise können Gerüche bei Menschen sofort alte Erinnerungen wieder hervorrufen, die damit verknüpft sind. Für die Forscher in dem DFG-Schwerpunktprogramm stellte das Geruchssystem ein nach wie vor in weiten Teilen unerforschtes Terrain dar. So geht es beispielsweise um die Frage, mit welchen Mechanismen Geruchs-Stimulationen Gefühle und Verhalten beeinflussen können.
Zur Person
Professor Joachim Schachtner (53, Foto: Thorsten Richter) wurde in Deggendorf geboren. Er studierte von 1984 bis 1990 Biologie an der Universität Regensburg. Es folgte seine 1994 abgeschlossene Promotion an der TU München. 1995 und 1996 war er Postdoktorand an der University of Washington in Seattle (USA). Nach einer Zwischenstation in Regensburg ist der Neurobiologe seit 1997 als Wissenschaftler an der Universität Marburg als Arbeitsgruppenleiter im Fachgebiet Tierphysiologie tätig. 2006 erfolgte seine Habilitation für die Fächer Zoologie und Tierphysiologie und seine Ernennung zum außerplanmäßigen Professor. Seit 2010 ist Schachtner außerdem als Uni-Vizepräsident für Informations- und Qualitätsmanagement zuständig. Sein Forschungsschwerpunkt ist Entwicklung, Plastizität und Evolution des Geruchssystems der Insekten.
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