Die Chemische Ökologie hat in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen. Dabei steht die Aufklärung der chemischen Struktur von nach außen abgegebenen Naturstoffen (Semiochemikalien) und deren biologische Bedeutung im ökologischen Kontext im Vordergrund. Einen wesentlichen Schwerpunkt meiner Arbeit bilden Gruppen von Arthropoden, die exokrine Drüsensekrete produzieren, seien es Allomone oder Phreromone. Diese Sekrete besitzen über ihre bekannten Effekte hinaus (Verteidigung gegen Prädatoren, Anlockung von Sexualpartnern, Kairomonwirkung auf spezialisierte Antagonisten) häufig noch weiterere, in der Vergangenheit oft übersehene Wirkungen. Insbesondere die antimikrobielle Aktivität vieler dieser Sekrete und deren ökologische Relevanz ist ein noch wenig untersuchter Bereich. Da viele dieser Wirkungen deutliche Selektionsvorteile darstellen können, ist auch die Rekonstruktion der Evolution dieser ökologischen Merkmale (Wehrsekretzusammensetzung, Wirtspflanzenspezialisierungen, Multifunktionalität von Drüsensekreten) wichtig, um die tatsächliche Bedeutung solcher Drüsensekrete während der Evolution verstehen zu lernen.Die Erforschung von chemisch-ökologischen Beziehungen zwischen Forst- und Obstschädlingen, ihren Wirtspflanzen und ihren natürlichen Gegenspielern (Prädatoren, Parasitoiden und Pathogenen) hat eine große wirtschaftliche Bedeutung. Die Anwendung von Ergebnissen aus chemisch-ökologischen Untersuchungen im Kulturpflanzenschutz (insbesondere Obstbau) und die Weiterentwicklung und Optimierung bereits bestehender Methoden bildet einen weiteren Schwerpunkt meiner Arbeit.
Einen dritten Schwerpunkt bilden Untersuchungen zur Stoffwechselphysiologie von Arthropoden. In Kooperation mit Prof. Dr. Irene Zerbst-Boroffka untersuche ich die biologische Rolle von Magnesium im Stoffwechsel verschiedener Käferarten und von TMAO bei limnischen Amphipoden des Baikalsees.
Evolution von Wirtspflanzenspezialisierungen bei Blattkäfern
Evolution of host plant specialization in leaf beetles
Blattkäfer, die zur sogenannten Chrysomela interrupta-Gruppe gehören, ein Subtaxon der Chrysomelina, sind chemisch verteidigt und zeigen je nach Art starke Spezialisierungen im Hinblick auf die Wahl ihrer Wirtspflanze. Innerhalb der zur C. interrupta-Gruppe gehörenden Art C. lapponica gibt es einzelne Populationen, die unterschiedliche Differenzierungen im Hinblick auf die Auswahl ihrer Wirtspflanzenarten zeigen und entweder an Weidenarten (Salicaceae) vorkommen oder monophag an der Moorbirke (Betulaceae). Die Bedeutung dieser Art als Forstschädling insbesondere in Rußland hat in den letzten Jahren zugenommen. Wir untersuchen zahlreiche biotische und abiotische ökologische Faktoren (Konkurrenten, Prädatoren, Parasitoide, Pathogene, Wirtspflanzenqualität, klimatische Faktoren), welche die Evolution der Wirtspflanzenspezialisierungen von Arten der C. interrupta-Gruppe beeinflussen. Im wesentlichen werden zwei allopatrische Populationen der Art C. lapponica vergleichend betrachtet, die sich auf jeweils unterschiedliche Wirtspflanzenarten spezialisiert haben.
Leaf beetles belonging to the Chrysomela interrupta-group, a subtaxon of the Chrysomelina, show variations in host plant specialization. Some species are specialized to feed and oviposit on willows (Salicaceae), while others live monophagously on birch or alder (Betulaceae). Among the C. interrupta-group, populations of the leaf beetle species C. lapponica are known to be exclusively specialized on either birch or willow. The importance of this species as a forest pest in Russia increased during the last years. The aim of this project is to provide information about the ecological factors (competitors, predators, parasitoids, entomopathogens, bottom-up effects, climatical conditions) which drive the evolution of host plant specialization in species of the C. interrupta-group. To elucidate this matter, two populations of C. lapponica, which have specialized on different host plants, were compared.
Projektleitung (Project Leader): Prof. Dr. Monika Hilker
Doktorand (PhD Student): Dr. Jürgen Gross (PhD 2001)
Diplomandin (Diploma Student): Nina E. Fatouros (Diploma 2000)
Freier Mitarbeiter (Student Research Assistance): Marc-Oliver Vicentini
Kooperationen (Collaborations): Prof. Dr. Monika Hilker, Freie Universität Berlin, Germany; Dr. Seppo Neuvonen, Kevo Subarctic Research Station, Finland; Dr. Lars Podsiadlowski, Systematic and Evolution of Animals, Freie Universität Berlin, Germany;Literatur (Publications):
- GROSS, J. & HILKER, M. 1995. Chemoecological studies of the exocrine glandular larval secretions of two chrysomelid species (Coleoptera): Phaedon cochleariae and Chrysomela lapponica. Chemoecology 5/6: 185-189.
- GROSS, J. 1997. Speziation beim Blattkäfer Chrysomela lapponica L.: Vergleichende Studien zu Chemischer Ökologie, Verhalten und Morphologie verschiedener Ontogenesestadien aus zwei allopatrischen Populationen. Sber. Ges. Naturf. Freunde Berlin 36: 125-142.
- SCHULZ, S., GROSS, J. & HILKER, M. 1997. Origin of the defensive secretion of the leaf beetle Chrysomela lapponica. Tetrahedron 53: 9203-9212.
- GROSS, J. (2001) On the evolution of host plant specialization in leaf beetles (Coleoptera: Chrysomelina). Logos Verlag Berlin.
- GROSS, J., FATOUROS, N. E. & HILKER, M. (in press) The significance of bottom-up effects for host plant specialization in Chrysomela leaf beetles.
- GROSS, J., FATOUROS, N. E., NEUVONEN, S. & HILKER, M. (subm.) The importance of natural enemies and competitors for Chrysomela lapponica in pioneering a new hostplant.
- FATOUROS, N. E., HILKER, M. & GROSS, J. (in prep.) Hybrid formation in two allopatric populations of the leaf beetle Chrysomela lapponica.
- GROSS, J., SCHMOLZ, E. & HILKER, M. (in prep.) Thermal adaptations of the leaf beetle Chrysomela lapponica to different climes of Central and Northern Europe.
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Evolution and ecological significance of antimicrobial defense mechanisms in leaf beetles
Die Evolution der antimikrobiellen Verteidigung von Blattkäfern (Coleoptera: Chrysomelidae) mittels exokriner Drüsensekrete bildet einen wesentlichen Schwerpunkt unserer Untersuchungen. Dazu werden vergleichend bei mehreren Arten (Phratora vitellinae, Chrysomela vigintipunctata, C. lapponica, Phaedon cochleariae) die Wirkungen der chemisch unterschiedlich zusammengesetzten Drüsensekrete gegen insektenpathogene Pilze und Bakterien untersucht. Diese Untersuchungen erstrecken sich auf alle Ontogenesestadien. Zukünftig werden diese Untersuchungen auch auf weitere Arthropodengruppen (Chilopoda) ausgedehnt werden.
The evolution of the antimicrobial defense of leaf beetles (Coleoptera: Chrysomelidae) by means of different types of exocrine glandular secretions is a main emphasis of our work. The reduction of growth and germination of entomopathogenic fungi and bacteria due to the exocrine secretions of some species of the Chrysomelina (P. vitellinae, C. vigintipunctata, C. lapponica, Ph. cochleariae) is investigated. In the future we will extend this topic to further groups of arthropods (Chilopoda).
Projektleitung (Project Leader): Dr. Jürgen Gross
Diplomand/innen (Diploma Students): David van der Kemp (Diploma 2002); Kerstin Schumacher (Diploma 2003)
Freie Mitarbeiter/innen (Student Research Assistance): Christoph Mayer; Christian Schwarzer; Mari Rausell (ERASMUS-Stipendiatin)
Kooperationen (Collaborations): PD Dr. Andreas Vilcinskas, Potsdam, Germany; Dr. Lars Podsiadlowski, Berlin, Germany; Prof. Dr. Monika Hilker, Berlin, Germany
Literatur (Publications):
- GROSS, J., MÜLLER, C., VILCINSKAS, A. & HILKER, M. 1998. Antimicrobial activity of the exocrine glandular secretions, hemolymph and larval regurgitate of the mustard leaf beetle Phaedon cochleariae. J. Invert. Pathol. 72: 296-303.
- GROSS, J., PODSIADLOWSKI, L. & HILKER, M. 2002. Antimicrobial activity of the exocrine glandular secretion of Chrysomela larvae. J. Chem. Ecol. 28 (2): 317-331
- GROSS, J., SCHUMACHER, K. & VAN DER KEMP, D. (in prep.) In support of the insect immune system: Volatile glandular secretions prevent conidia germination on leaf beetle cuticle.
- SCHUMACHER, K. & GROSS. J. (in prep.) The larval secretions and regurgitate of leaf beetles (Coleoptera: Chrysomelidae) affect the entomopathogenic bacterium Bacillus thuringiensis.
Regulation of the Ionic Composition and Magnesium Metabolism of Beetles
Einige Käferarten verfügen über extrem hohe Magnesiumgehalte in der Hämolymphe. Die absoluten und relativen Ionenkonzentrationen, Zustandsformen und die ökophysiologische Bedeutung von Magnesium und anderen anorganischen Ionen in der Hämolymphe wird mit der Kapillarzonenelektrophorese und der Flammenatomabsorptionsspektrometrie bei verschiedenen Ontogenesestadien von Zophobas atratus (Coleoptera: Tenebrionidae), Anoplotrupes stercorosus, Trypocopris vernalis (Coleoptera: Geotrupidae) und dem Hausbock Hylotrupes bajulus (Coleoptera: Cerambycidae) untersucht.
Projektleitung (Project Leader): Prof. Dr. Irene Zerbst-Boroffka; Dr. Jürgen Gross
Diplomanden (Students): Carsten Hille (Diploma 2003), Roland Schröder (Diploma 2003)
Freier Mitarbeiter (Student Research Assistance): Sebastian Scheel
Kooperationen (Collaborations): Prof. Dr. Dieter Rudolph, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin, Germany
Physiological adaptations of Baikalian amphipods at great depths in Lake Baikal (Russia)
Bei marinen Krebsen und Fischen soll der erhöhte Gehalt an Trimethylaminoxid (TMAO) im Gewebe abyssaler Arten Proteine gegenüber erhöhtem hydrostatischen Druck, evtl. aber auch gegenüber erhöhter Salinität in der Tiefsee in Struktur und Funktion stabilisieren. Im elektrolytarmen Wasser des Baikalsees (Sibirien, Rußland) findet sich keine Zonierung der Salze in der Wassersäule wie im Meer, wodurch der Einfluß des hydrostatischen Druckes auf den TMAO-Gehalt unabhängig von der Salinität studiert werden kann. Die Untersuchungen werden an endemischen Amphipoden (Crustacea: Amphipoda) aus unterschiedlichen Wassertiefen des Baikalsees durchgeführt.
Projektleitung (Project Leader): Prof. Dr. Irene Zerbst-Boroffka
Kooperationen (Collaborations): Dr. Ravil Kamaltynow, Limnological Institute Irkutsk, Academy of Sciences, Irkutsk, Russia; Dr. Stefan Harjes, MPI für Molekulare Physiologie, Dortmund, Germany
Literatur (Publications):
- ZERBST-BOROFFKA, I., GROSPIETSCH, T., MEKHANIKOVA, I., TAKHTEEV, V. (2000) Osmotic and ionic hemolymph concentrations of bathyal and abyssal amphipods of Lake Baikal (Siberia) in relation to water depth. J.Comp.Physiol. B 170: 615-625
- ZERBST-BOROFFKA, I., KAMALTYNOW, R., HARJES, S. & GROSS, J. (in prep.). Concentrations of TMAO and other organic osmolytes in the tissue of Baikalean amphipoda (Crustacea) related to water depth.
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Last update: 22.09.2003; Website by J.
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