The effect of Rhizobium-field pea symbiosis on host plant quality and subsequent herbivory by the pea leaf weevil, Sitona lineatus (Coleoptera: Curculionidae)

In der verborgenen Welt unter der Erde formt eine stille Partnerschaft die Gesundheit der Pflanzenwelt darüber. Viele Pflanzen, insbesondere aus der Familie der Leguminosen wie Erbsen und Bohnen, schließen eine gegenseitige Vereinbarung mit winzigen Bakterien namens Rhizobien ab. Diese Bakterien leben in kleinen Knöllchen an den Wurzeln der Pflanze, die als Noduli bekannt sind. Im Austausch für einen Lebensraum und Zucker von der Pflanze erbringen die Bakterien eine lebenswichtige Dienstleistung: Sie ziehen Stickstoffgas aus der Luft und wandeln es in eine Form um, die die Pflanze zum Wachsen nutzen kann. Dieser Prozess, bekannt als Stickstofffixierung, wirkt wie ein natürlicher Dünger, der es der Pflanze ermöglicht, zu gedeihen, ohne zusätzliche Nährstoffe aus dem Boden zu benötigen. Diese unterirdische Allianz existiert jedoch nicht im Vakuum. Der zusätzliche Stickstoff verändert die Chemie und die nährstoffliche Zusammensetzung der Pflanze, was wiederum die Insekten beeinflusst, die sich von ihr ernähren. Für Landwirte und Ökologen ist das Verständnis dieser Kettenreaktion entscheidend. Wenn die Bakterien die Pflanze nahrhafter machen, könnten sie mehr Schädlinge anlocken. Wenn sie die Pflanze verteidigungsfähiger machen, könnten sie diese eher abwehren. Das Gleichgewicht zwischen Wachstum und Schutz bestimmt, wie viel einer Ernte bis zur Ernte überlebt.

Ein Forschungsteam der University of Alberta machte sich daran, dieses empfindliche Gleichgewicht am Beispiel der Felderbse und eines bekannten Schädlings, des Erbsenblattrüsslers, zu untersuchen. Diese kleinen Käfer haben einen komplexen Lebenszyklus, dessen Bedürfnisse sich im Laufe des Jahres ändern. Im Frühjahr kommen die adulten Rüssler aus dem Winterschlaf hervor, paaren sich und legen Eier im Boden ab. Ihre Larven schlüpfen dann und ernähren sich ausschließlich von den Wurzelknöllchen, indem sie genau die Bakterien fressen, die der Pflanze beim Wachsen helfen. Später im Jahr kommt eine neue Generation von Adulten hervor. Diese Herbst-Adulten pflanzen sich nicht fort; stattdessen ernähren sie sich von den Blättern verschiedener Leguminosen, um Energiereserven aufzubauen, bevor die Kälte zurückkehrt. Die Forscher wollten wissen, ob die Anwesenheit von stickstofffixierenden Bakterien in den Wurzeln die Qualität der Blätter veränderte und ob die Rüssler dementsprechend die Pflanzen mit diesen hilfreichen Bakterien oder jene ohne sie bevorzugten. Sie fragten sich auch, ob sich das Verhalten der Rüssler änderte, je nachdem, ob sie sich in ihrer Frühlingsphase der Fortpflanzung oder in ihrer Herbstphase der Nahrungsaufnahme befanden.

Um die Antwort zu finden, züchteten die Wissenschaftler Felderbser in einer kontrollierten Umgebung und behandelten sie auf vier verschiedene Arten. Einige Pflanzen erhielten einen Stamm von Bakterien, der Stickstoff fixiert, während andere einen mutierten Stamm erhielten, der zwar Knöllchen bildet, aber keinen Stickstoff fixieren kann. Zwei weitere Gruppen dienten als Kontrollen: Eine erhielt synthetischen Stickstoffdünger, die andere erhielt nur Wasser. Das Team setzte dann adulte Rüssler in Käfige mit diesen Pflanzen ein. Sie führten diese Tests zu verschiedenen Zeiten des Jahres durch, um den natürlichen Zyklen der Riller zu entsprechen, indem sie die Tests testeten, wenn die Tiere gerade aus dem Winter erwacht waren, wenn sie im Frühjahr aktiv waren und wenn sie sich im Herbst auf die Überwinterung vorbereiteten. Die Forscher zählten die Anzahl der Bissspuren oder Kerben, die die Insekten an den Blättern hinterließen, um zu messen, wie viel sie fraßen. Sie maßen auch die Höhe der Pflanzen, zählten die Wurzelknöllchen und analysierten die chemische Zusammensetzung der Blätter, wobei sie speziell auf den Stickstoffgehalt und den Chlorofyllgehalt achteten, welche die Grünheit und Vitalität der Pflanze anzeigen.

Die Ergebnisse zeigten ein klares Muster, das vollständig vom physischen Zustand des Rüsslers abhing. Die Frühlingsrüssler, die mit der Fortpflanzung beschäftigt waren, zeigten keine Vorliebe für eine bestimmte Pflanze. Sie fraßen etwa die gleiche Menge von den stickstofffixierenden Pflanzen, den nicht-fixierenden Pflanzen und den Kontrollgruppen. Ähnlich zeigten die Rüssler, die gerade aus dem Winter erwacht waren, keine starke Vorliebe. Doch die Herbstrüssler erzählten eine andere Geschichte. Diese Insekten, die sich nicht fortpflanzten und darauf fokussiert waren, Energie für die kommenden kalten Monate zu sammeln, bevorzugten die Pflanzen mit den stickstofffixierenden Bakterien stark. Sie hinterließen signifikant mehr Bissspuren an den Pflanzen mit den hilfreichen Bakterien als an allen anderen Gruppen.

Diese Vorliebe war für die Forscher kein Rätsel, da die Pflanzen selbst die Geschichte erzählten. Die Erbsen, die mit den stickstofffixierenden Bakterien geimpft worden waren, wuchsen größer und entwickelten Blätter mit höheren Chlorofyll- und Stickstoffwerten im Vergleich zu den anderen Pflanzen. Im Wesentlichen machten die Bakterien die Pflanzen nahrhafter und vitaler. Die Herbstrüssler, getrieben von der Notwendigkeit, Energiereserven anzulegen, wählten die nährstoffreichste Nahrungsquelle aus. Diese Erkenntnis stellt die Vorstellung infrage, dass nützliche Bakterien Pflanzen immer schützen, indem sie deren Geschmack verschlechtern oder chemische Abwehrmechanismen gegen Insekten entwickeln. Stattdessen machten die Bakterien die Pflanze in diesem speziellen Fall zu einer besseren Mahlzeit für den Schädling. Die Studie legt nahe, dass bei der Herbstgeneration des Erbsenblattrüsslers der Drang, hochwertige Nahrung zu finden, jegliche potenziellen chemischen Abwehren der Pflanze überwiegt. Die Forscher merkten an, dass zwar auch Stickstoffdünger half, die Pflanzen wachsen zu lassen, dies aber nicht das gleiche Maß an Präferenz bei den Rüsslern hervorrief wie die natürliche bakterielle Partnerschaft, was darauf hindeutet, dass die Beziehung zwischen der Pflanze und den Bakterien mehr als nur der Stickstoff selbst ist.

Die Arbeit verdeutlicht, wie die Bedürfnisse eines Insekts seine Beziehung zu einer Pflanze bestimmen können. Wenn die Rüssler im Frühjahr auf die Fortpflanzung fokussiert waren, schienen die unterschiedlichen Nährstoffgehalte der Pflanzen keine Rolle zu spielen. Aber als sich ihr Ziel im Herbst auf das Überleben und die Energiespeicherung verlagerte, wurde die überlegene Qualität der durch Bakterien genährten Pflanzen zum entscheidenden Faktor. Diese Einsicht fügt unserem Verständnis darüber, wie Bodenmikroben die Welt über der Erde beeinflussen, eine neue Ebene hinzu. Sie legt nahe, dass das Management von Schädlingen erfordern kann, das spezifische Lebensstadium des Insekts und den Ernährungsstatus der Nutzpflanze zu berücksichtigen. Durch das Verständnis, dass eben jene Bakterien, die der Pflanze helfen sollen, sie auch attraktiver für hungrige Schädlinge machen können, die sich auf den Winter vorbereiten, können Wissenschaftler besser vorhersagen, wann und wo diese Insekten den größten Schaden anrichten werden. Die Studie bietet keine einfache Lösung, liefert aber ein klareres Bild der unsichtbaren Kräfte, die die Interaktionen zwischen Boden, Pflanzen und den sich von ihnen ernährenden Insekten formen.