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Analyse der Futterkörperchen (Müller'sche Körperchen) in der Cecropia-Azteca Assoziation

Klaus Markus Kaltenbrunner

Art der Arbeit

Diplomarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Lehramtsstudium UF Biologie und Umweltkunde UF Deutsch

Betreuer*in

Veronika Mayer

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DOI

10.25365/thesis.37973

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29567.14495.582065-9

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Über 40 Arten der Pflanzengattung Cecropia sp. (Urticaceae) leben mit Azteca Ameisen (Formicidae, Dolichoderinae) in Symbiose. Die Pflanzen bieten hohle Stängel als Nistraum und bilden in Haarpolstern (Trichilien) an der Basis des Blattstiels Nahrung für die symbiontischen Ameisen. Diese Futterkörperchen, auch „Müller‘sche Körperchen“ (MKs) genannt, gelten gemeinhin als Futter für die Ameisenbrut. Azteca kultiviert im Inneren der Stängel aber auch Pilze (Ascomycota, Chaetothyriales), deren Funktion bei Cecropia bisher noch unbekannt ist. Ziel der vorliegenden Arbeit war es einerseits die Entwicklung der MKs zu dokumentieren. Andererseits sollte in einem metabolomischen Ansatz geklärt werden, welche Inhaltsstoffe in den MKs vorhanden sind, ob deren Nährstoffangebot für die Ameisen ausreichend ist, ob der Pilzpatch bei MK-Knappheit als Substitution verwendet werden kann oder als Nahrungsergänzung fungiert, oder gänzlich andere Funktionen als angenommen haben muss. Zudem wurden auch die Inhaltsstoffe der Ameisen in die Analyse mit einbezogen. Die anatomischen Untersuchungen mit Binokular, Computertomographie und Lichtmikroskopie zeigten, dass in einem Trichilium eine große Menge Müller‘scher Körperchen (ca. 1000) unterschiedlicher Entwicklungsstadien vorhanden ist. Jedes Trichilium wird durch ein sehr dicht ausgeprägtes Netz an Leitbündeln versorgt und ist von einem Polster einfacher, mehrzelliger Trichome bedeckt, die sich aus der Epidermis entwickeln. Dickere, längere, weiße, komplexe Trichome sind ebenso Bestandteil der Trichompolster. Die Funktion dieser Trichomschicht liegt wohl darin, dass sie den MKs Schutz vor Fressfeinden und Austrocknung bieten und zudem als Stütze für die MKs fungieren. Die mehrzelligen MKs werden knapp unterhalb der Epidermis gebildet, wachsen rasch an, wölben die Epidermis auf und sind schließlich nur mehr über einen schmalen Bereich mit dem Trichiliumgewebe verbunden. Nach dem Erreichen der vollen Größe lösen sie sich vom Trichiliumgewebe und wandern durch die Trichompolster an die Oberfläche, wo sie von Atzeca abgeerntet werden. Untersuchungen (Rossel & Weizer 2014, unpubliziert) deuten darauf hin, dass eine Korrelation zwischen der Präsentation der MKs an der Oberfläche des Trichiliums und dem Klima besteht. Vermutlich reagieren die Trichome auf Veränderungen der Luftfeuchte und beeinflussen so den Transport der MKs an die Oberfläche. Bei der chemischen Analyse wurde keine absolute Quantifizierung vorgenommen; durch die Berechnung der Verhältnisse der Gewebe können aber Aussagen über das Vorkommen einer Substanzklasse getroffen werden. Artspezifische Unterschiede in der Zusammensetzung der MKs konnten fast keine festgestellt werden. Da auch Azteca bei der Cecropia-Besiedlung nicht artspezifisch vorgeht, ist es naheliegend, dass die Zusammensetzung der MKs dieser generalistischen Besiedlungsstrategie entspricht. Bei der Analyse der Metabolite wurde in den MKs ein Großteil der für Insekten essentiellen Aminosäuren nachgewiesen. In den MKs konnte eine große Menge des, für einen Storageprotein-Typen charakteristischen, Glutamic acid festgestellt werden, was darauf hindeutet, dass die MKs an die Larven verfüttert werden könnten. In den juvenilen Azteca-Stadien fand sich eine hohe Menge an AS, was mit der Bildung von Storage-Proteinen in diesem Entwicklungsstadium erklärt werden kann. Im Pilzpatch fanden sich erstaunlich wenig AS. In den MKs wurden große Mengen des Kohlenhydrats Sucrose dokumentiert. Zudem wird in den MKs Glykogen eingelagert (Bischof et al. 2013). Das Vorkommen größerer Mengen für generalistische Ameisen attraktive Kohlenhydrate und Aminosäuren, sowie das Abernten der MKs durch andere Insekten deuten darauf hin, dass keine Exklusion symbiosefremder Insekten durch die Zusammensetzung der MKs gewährleistet wird. Im Pilzpatch wurden zwar durchschnittlich wenig Kohlenhydrate dokumentiert, doch einige Zucker, z.B. Trehalose, der wichtigste Zucker der Insektenhämolymphe, wurden in größeren Mengen im Pilzpatch als in den MKs nachgewiesen. Die meisten Fettsäuren wurden in den Puppen und Trichomen dokumentiert. Besonderes Augenmerk wurde auf die Sterole gelegt, da Insekten diese nicht selbst synthetisieren können, sondern diese durch die Nahrung aufnehmen müssen. In den MKs und Trichomen wurde das in Pflanzen seltene Cholesterol nachgewiesen. Wie Glykogen ist vermutlich auch das Vorhandensein von Cholesterol ein Indiz für die Anpassung der MKs an die Nährstoffbedürfnisse des Symbiosepartners. Hohe Mengen von Phytosterolen, die Insekten teilweise zu Cholesterol umbauen können, wurden überraschenderweise in den Trichomen nachgewiesen. Möglicherweise nimmt Azteca über Bruchstücke der Trichome diese Sterole mit den MKs gemeinsam auf. Das Vorkommen von Phytosterolen im Pilzpatch könnte für deren Eignung als Nahrungsreserve für Azteca sprechen. Weder die ethologischen Untersuchungen noch die chemische Analyse lieferten Hinweise darauf, dass die MKs zur Düngung des Pilzpatchs verwendet werden. Die Analyse der Metabolite lassen auch kaum Rückschlüsse darüber zu, ob es sich beim Pilzpatch um eine wichtige Stickstoffquelle handelt. Die Untersuchung unterstützt jedoch die Hypothese, dass der Pilzpatch von Azteca als Ersatznahrung verwendet wird. Die chemische Zusammensetzung von Pilzpatch und MKs ähneln einander, was ein Indiz dafür darstellt, dass beide als Nahrung für Azteca dienen. Möglicherweise greift Azteca bei Nahrungsknappheit auf den Pilzpatch zurück. Da nachgewiesen wurde, dass Hyphen von Chaetothyriales in anderen Assoziation an die Ameisen-Larven verfüttert werden (Blatrix et al. 2012), ist es zudem vorstellbar, dass der Pilzpatch auch eine Ergänzung der Ernährung der Larven darstellt. Ein anderes Kohlenhydratspektrum und das Vorhandensein von Phytosterolen im Pilzpatch deuten darauf hin. Diese Annahme muss aber durch weiterführende Untersuchungen überprüft werden.

Abstract

(Englisch)

In the study presented here, the food sources for the ants inhabiting myrmecophytic Cecropia species are investigated with a metabolomic approach. The food bodies of Cecropia, the so called Mullerian bodies (MBs), are produced from trichila, a structure located at the petiolus base have been the focus of a few studies, but a metabolomic analysis was never performed An additional partner of the obligate Cecropia-Azteca-that has been overlooked for a long time are Chaetothyrialean fungi. They are cultivated in so called >fungal patches<, and may play an important role in the nutrient cycle of association. Therefore fungal patches were also chemically investigated as well as worker, queens, larvae and pupae of Azteca. Anatomical studies with binocular, CT-scanning and microscopy revealed that trichilia produced a large amount (about 1000) of MBs of different development stages. It was found that two mature MBs never directly adjoin one another, suggesting a control mechanism. Each trichilium is supplied through a very dense and extensive network of vescular bundles. A mat of two trichome types usually covers the whole trichilium: multicellular simple ones and thicker, longer, white, complex ones. Three possible functions of this layer of trichomes were assumed: (1) protection of the MBs against predators and desiccation; (2) structural support for the MBs; (3) control of the MB-presentation on the surface of the mat, triggered by changes in humidity. The metabolomic analysis allows statements about the ratio of tissues of substance classes, although no absolute quantification was performed. A large amount of glutamic acid was detected in the MBs. Glutamic acid is characteristic for a special storage protein type, which is important in larval development of the ants. This suggests that MBs are fed to the larvae. Additionally most of the amino acids detected in the MBs are essential for insects . Compared to the other tissues investigated (trichilia, trichomes, fungal patches and ants), a large amount of sucrose was documented in the MBs. The presence of common carbohydrates and a high diversity of amino acids, which are attractive to generalistic ants, as well as the harvesting of MBs by other insects, indicate that exclusion of non-symbiotic insect by the composition of the MBs is not implemented. Although lower amounts of carbohydrates have been documented in the fungal patch than in the MBs, some sugars are found in higher quantities. Trehalose, the most important sugar in the hemolymph, was detected in large quantities in the fungal patch, which may support attraction to Azteca. Cholesterol has been documented in the MBs and the trichomes. Insects can’t synthesize sterols themselves and have to consume them through food. The occurrence in Cecropia MKs probably illustrates an adaptation of the MBs to the nutritional needs of the symbiont partner. Phytosterols, which can partly be metabolized to cholesterol by insects, were surprisingly high in the trichomes. Maybe Azteca consumes this phytosterol via fragments of the trichomes sticked to the MBs. The presence of phytosterols in the fungal patch might indicate their suitability as a food reserve for Azteca. MBs differed considerably from the other plant tissues (trichilium and trichomes), providing an additional argument for an adaption to the nutritional needs of Azteca. However, the metabolic analysis allowed hardly any conclusions about whether the fungal patch is an important source of nitrogen. Few free amino acids were detected in the fungal patch, which could point to a low nitrogen concentration on the one hand, or to a high protein content, which has to be verified by further studies. In summary, the study supports the hypothesis that the fungal patch of Azteca is used as a substitute food. A Principal Component Analysis (PCA) has shown that fungal patches and MBs are chemically similar to each other. Maybe Azteca consumes the fungi in times of MK shortage. Another possibility is, that the fungi are an additional part of the larval diet. Since it was demonstrated that chaetothyriales are fed to the larvae in other ant-plants-association (Blatrix et al. 2012), this is supposingly the case. The different carbohydrate spectrum and the presence of phytosterols in the fungal patch could be an evidence for this. Significant species-specific differences in the composition of the MBs were not detected. Since Azteca does not colonise specific Cecropia species, the composition of MBs matches this generalist colonization strategy.

Autor*innen

Klaus Markus Kaltenbrunner

Haupttitel (Deutsch)

Analyse der Futterkörperchen (Müller'sche Körperchen) in der Cecropia-Azteca Assoziation

Publikationsjahr

2015

Umfangsangabe

133 S. : Ill., graph. Darst.

Sprache

Deutsch

Beurteiler*in

Veronika Mayer

Klassifikationen

42 Biologie > 42.17 Allgemeine Physiologie ,

42 Biologie > 42.38 Botanik: Allgemeines ,

42 Biologie > 42.75 Insecta ,

42 Biologie > 42.91 Terrestrische Ökologie

AC Nummer

AC12398367

Utheses ID

33668

Studienkennzahl

UA | 190 | 445 | 333 |

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