Trotz ihres winzigen Genoms zeigen die Symbionten von Schilfkäfern (Donacia spec.) eine bemerkenswerte Fähigkeit, ihre Genaktivität an die Entwicklungsstadien und Umweltbedingungen ihrer Wirte anzupassen. Diese Bakterien, die in enger Symbiose mit Insekten leben, unterstützen Schilfkäfer bei Ernährung, Verdauung und anderen lebenswichtigen Prozessen. Aufgrund des engen Zusammenlebens haben die Symbionten im Laufe der Evolution viele Gene verloren, die sie vom Wirt erhalten, und besitzen nur noch ein stark reduziertes Genom. Dennoch bleiben sie funktional entscheidend, da sie die unterschiedlichen Bedürfnisse der Käferlarven und erwachsenen Käfer erfüllen.
Larven ernähren sich von aminosäurearmem Wurzelsaft, während adulte Käfer schwer verdauliche Pflanzenzellwände von Blättern und Blüten konsumieren. Die Symbionten unterstützen Larven durch die Produktion von Aminosäuren und adulte Käfer durch ein Enzym, das Pflanzenzellwände abbaut, wobei nicht alle Symbionten beide Stadien gleichermaßen fördern.
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Martin Kaltenpoth an der Abteilung Insektensymbiosen untersuchte diese Symbionten genauer und stellte fest, dass einige die Fähigkeit verloren haben, Enzyme für den Zellwandabbau zu produzieren, was vor allem erwachsenen Käfern zugutekommt. Durch RNA-Sequenzierung, enzymatische Assays und bildgebende Verfahren wie Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung analysierten die Forschenden die Genexpression, Verdauungsaktivität und Zellform der Symbionten in vier Schilfkäferarten.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Symbionten während des Larvenstadiums die Expression von Genen für die Aminosäureproduktion verstärken und im Erwachsenenstadium die Produktion von Enzymen für den Zellwandabbau mit dem Wirt koordinieren. Zudem verändert sich die Zellform der Symbionten je nach Entwicklungsstadium, was vermutlich mit ihrer wechselnden Stoffwechselfunktion zusammenhängt.
Die Studie untersuchte auch, wie die Symbionten auf Temperaturschwankungen reagieren, denen Schilfkäfer ausgesetzt sind. Larven wurden einem Monat lang Temperaturzyklen zwischen 12 °C und 8 °C sowie 22 °C und 14 °C ausgesetzt. Trotz des kleinen Genoms zeigte sich eine klare temperaturabhängige Genregulation, etwa durch Aktivierung eines Stressmechanismus bei Kälte, der normalerweise bei freilebenden Bakterien auf Hitze reagiert. Diese Flexibilität verdeutlicht, dass die Symbionten trotz reduziertem Genom wichtige Prozesse steuern können. Die Ergebnisse werfen neue Fragen auf, etwa nach der Funktion der wenigen verbliebenen Gen-Schalter oder der Bedeutung der veränderten Zellform. Weitere Forschung soll die metabolische Koordination zwischen Wirt und Symbiont vertiefen und ein grundlegendes Verständnis der Symbiose fördern.
Originalpublikation
Carvalho, A. S. P., Wingert, S. T., Kirsch, R., Vogel, H., Kölsch, G., Kaltenpoth, M. (2025). Symbionts with eroded genomes adjust gene expression according to host life-stage and environment. EMBO Reports, doi 10.1038/s44319-025-00525-2
https://doi.org/10.1038/s44319-025-00525-2
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