Die Verteidigungssymbiose der Bienenwölfe

Bienenwölfe der Gattungen Philanthus, Trachypus, and Philanthinus (Hymenoptera, Crabronidae) sind solitäre Grabwespen, die eine spezifische Symbiose mit Aktinobakterien (‘Candidatus Streptomyces philanthi’) eingehen. Die Weibchen kultivieren diese Symbionten in hochspezialisierten Drüsen-Reservoiren in den Fühlern und geben sie in ihre unterirdischen Brutzellen ab. Dort transferiert die sich entwickelnde Wespenlarve die Bakterien später auf ihren Kokon, wo die Streptomyceten durch die Produktion von mindestens neun verschiedenen Antibiotika (Streptochlorin und acht Piericidine) Schutz gegen schädliche Pilze und Bakterien bieten. Wir konnten die Symbionten in etwa 40 verschiedenen Bienenwolf-Arten nachweisen und zeigen, dass sie eine monophyletische Gruppe innerhalb der Gattung Streptomyces bilden. Dies deutet auf eine hochspezifische Assoziation zwischen den Wespen und ‘Ca. S. philanthi’ hin, die bereits in der späten Kreidezeit entstanden sein muss (vor mindestens 68 Millionen Jahren).

Momentan interessieren uns vor allem die chemischen und molekularen Interaktionen zwischen den symbiotischen Partnern in der Bienenwolf-Streptomyces-Symbiose und die genomischen Konsequenzen der symbiotischen Lebensweise für die Bakterien. Dazu untersuchen wir die bakteriellen Substanzen, die für den Schutz des Bienenwolf-Nachwuchses gegen Pathogene verantwortlich sind, und die Nährstoffe, die die Bienenwölfe ihren Untermietern in den Antennen zur Verfügung stellen. Außerdem sequenzieren wir die Genome der Symbionten von mehreren Wirtsarten, was nicht nur die Identifikation der Antibiotika-Gencluster ermöglichen, sondern auch Aufschluss über die genomischen Konsequenzen der symbiotischen Lebensweise der Bakterien liefern wird. In früheren Untersuchungen wurde bereits gezeigt, dass intrazelluläre Symbionten von Insekten im Vergleich zu freilebenden Verwandten dramatische Reduktionen der Genomgröße sowie strukturelle Modifikationen und Veränderungen in der Basenzusammensetzung aufweisen. Die Genomsequenz von ‘Ca. Streptomyces philanthi’ wird erste Einblicke in die Konsequenzen einer extrazellulär symbiotischen Lebensweise bei einem Gram-positiven Bakterium erlauben und dadurch generelle Schlussfolgerungen der evolutionären Dynamik von Insekten-Bakterien-Symbiosen zulassen.

Beteiligte Forscher:
Martin Kaltenpoth, Tobias Engl, Chantal Selina Ingham, Mario Sandoval-Calderón

Ausgewählte Publikationen:

Kaltenpoth, M. (in press) Symbiotic Streptomyces provide antifungal defense in solitary wasps. In: Hurst, C.J. (ed.) Advances in environmental microbiology: The mechanistic benefits of microbial symbionts. Springer, Heidelberg.

Engl, T., Bodenstein, B. & Strohm, E. (2016) Mycobiota of brood cells of the European Beewolf, Philanthus triangulum (Hymenoptera, Crabronidae). European Journal of Entomology 113: 271-277.

Kaltenpoth, M., Strupat, K. & Svatoš, A. (2016) Linking metabolite production to taxonomic identity in environmental samples by (MA)LDI-FISH. The ISME Journal 10 (2): 527-531.

Weiss, K., Strohm, E., Kaltenpoth, M., Herzner, G. (2015) Comparative morphology of the postpharyngeal gland in the Philanthinae (Hymenoptera, Crabronidae) and the evolution of an antimicrobial brood protection mechanism. BMC Evolutionary Biology 15: 291.

Kaltenpoth, M., Roeser-Mueller, K., Koehler, S., Peterson, A., Nechitaylo, T., Stubblefield, J.W., Herzner, G., Seger, J. & Strohm, E. (2014) Partner choice and fidelity stabilize co-evolution in a cretaceous-age defensive symbiosis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA 111 (17): 6359-6364.

Nechitaylo, T.Y., Westermann, M. & Kaltenpoth, M. (2014) Cultivation reveals physiological diversity among defensive ‘Streptomyces philanthi’ symbionts of beewolf digger wasps (Hymenoptera, Crabronidae). BMC Microbiology 14: 202.

Koehler, S. & Kaltenpoth, M. (2013) Maternal and environmental effects on symbiont-mediated antimicrobial defense. Journal of Chemical Ecology 39 (7): 978-988 (invited contribution).

Koehler, S., Doubský, J. & Kaltenpoth, M. (2013) Dynamics of symbiont-mediated antibiotic production reveal efficient long-term protection for beewolf offspring. Frontiers in Zoology 10:3.

Kaltenpoth, M., Yildirim, E., Gürbüz, M. F., Herzner, G., Strohm, E. (2012) Refining the roots of the beewolf-Streptomyces symbiosis: Antennal symbionts in the rare genus Philanthinus (Hymenoptera, Crabronidae). Applied and Environmental Microbiology 78 (3): 822-827.

Kaltenpoth, M., Schmitt, T., Polidori, C., Koedam, D., Strohm, E. (2010) Symbiotic streptomycetes in antennal glands of the South American digger wasps genus Trachypus (Hymenoptera: Crabronidae). Physiological Entomology 35 (2): 196-200.

Kroiss, J., Kaltenpoth, M., Schneider, B., Schwinger, M.-G., Hertweck, C., Maddula, R.K., Strohm, E. & Svatoš, A. (2010) Symbiotic streptomycetes provide antibiotic combination prophylaxis for wasp offspring. Nature Chemical Biology 6: 261-263.

Kaltenpoth, M., Goettler, W., Koehler, S. & Strohm, E. (2010) Life cycle and population dynamics of a protective insect symbiont reveal severe bottlenecks during vertical transmission. Evolutionary Ecology 24 (2): 463-477.

Goettler, W., Kaltenpoth, M., Herzner, G. & Strohm, E. (2007) Morphology and ultrastructure of a bacteria cultivation organ: The antennal glands of female European beewolves, Philanthus triangulum (Hymenoptera, Crabronidae). Arthropod Structure and Development 36: 1-9.

Kaltenpoth, M., Göttler, W., Dale, C., Stubblefield, J.W., Herzner, G., Roeser-Mueller, K. & Strohm, E. (2006). 'Candidatus Streptomyces philanthi', an endosymbiotic streptomycete in the antennae of Philanthus digger wasps. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 56 (6): 1403-1411.

Kaltenpoth, M., Goettler, W., Herzner, G. & Strohm, E. (2005). Symbiotic bacteria protect wasp larvae from fungal infestation. Current Biology 15 (5): 475-479.