Evolution der Wirtspflanzenanpassung in Pieridae. Untersuchungen zur möglichen Rolle cyanidentgiftender Enzyme

Der Kleine Kohlweißling, Pieris rapae (Lepidoptera: Pieridae), ist ein Spezialist auf glucosinolathaltigen Pflanzen. Er gehört zur Unterfamilie Pierinae, die vor etwa 80 Millionen Jahren einen Wirtswechsel von Fabales auf Brassicales vollzogen hat. Dafür war das nitrilspezifizierende Protein (NSP) essentiell, das beim Abbau der Glucosinolate im Darm zur Nitrilbildung führt. Durch die Verstoffwechslung aromatischer Nitrile in den Raupen entsteht Cyanid. Da in den ursprünglichen Brassicales aromatische Glucosinolate weit verbreitet waren, wird vermutet, dass eine effiziente Cyanidentgiftung eine Voraussetzung für den Wirtswechsel war. Das Ziel der vorliegenden Dissertation war die Identifizierung und Charakterisierung von ß-Cyanoalanin-Synthasen und Rhodanesen aus P. rapae und anderen Lepidoptera-Arten, um die mögliche Rolle der Cyanidentgiftung für den Wirtswechsel beurteilen zu können. Drei ß-Cyanoalanin-Synthasen, PrBSAS1-PrBSAS3, aus P. rapae waren bereits bekannt. Zur Untersuchung der physiologischen Funktion dieser Enzyme sollte RNAi als Methode in P. rapae etabliert werden.
Die Analyse von Lepidoptera-Arten mit und ohne Spezialisierung auf glucosinolathaltige Pflanzen zeigte, dass ß-Cyanoalanin-Synthase-Aktivität weit verbreitet ist, während Rhodanese-Aktivität nur in wenigen Arten auftritt. Im Rahmen dieser Arbeit gelang die Identifizierung von 14 ß-Cyanoalanin-Synthasen. Die Ergebnisse der Enzymcharakterisierung und phylogenetischen Analyse deuten darauf hin, dass Lepidoptera allgemein mit einem PrBSAS2 Homolog mit einer hohen Cyanid-Affinität ausgestattet sind. Eine zweite ß-Cyanoalanin-Synthase (PrBSAS3 Homolog) war auf Pieridae beschränkt, während Pierinae zusätzlich über ein PrBSAS1 Homolog mit einer hohen Effizienz verfügten. Insgesamt unterstützen diese Ergebnisse eine Rolle der Cyanidentgiftung durch ß-Cyanoalanin-Synthasen für die Wirtspflanzenanpassung der Pieridae.
Mit den vor allem im Darm experimierten Rhodanesen Rho1 und Rho2 aus P. rapae wurden in dieser Arbeit erstmalig Rhodanesen aus Insekten identifiziert. Die Lokalisation in Mitochondrien und die hohe Affinität für Cyanid stützt eine Rolle von Rho1 in der Cyanidentgiftung. Rho2 hat vermutlich eine andere Funktion.
Zur Etablierung der RNAi in P. rapae wurden transient mit RNAi-Konstrukten transformierte Pflanzen verfüttert. Die Expression des Zielgens PrNSP wurde hierdurch um etwa 50 % vermindert, dies hatte jedoch keinen Einfluss auf das Gewicht und das Überleben der Raupen auf glucosinolathaltigen Pflanzen. Die Anwendung alternativer Ansätze wird notwendig sein, um die PrNSP-Expression vollständig zu unterbinden.