Molekulare Analyse von Herbivorie bei Bodeninvertebraten

Trophische Interaktionen spielen eine Schlüsselrolle in der Populationsdynamik von Tieren und Pflanzen. Das Erfassen der Nahrungsbeziehungen unter natürlichen Bedingungen gestaltet sich jedoch mitunter schwierig. Insbesondere gilt das für trophische Interaktionen im Boden, der keinen direkten Einblick in die stattfindenden Prozesse erlaubt. Im vorliegenden Projekt soll erstmals ein DNA-basierter Ansatz zur Nahrungsanalyse zum Einsatz kommen um festzustellen welche Pflanzenarten von im Boden lebende herbivore Insekten als Nahrung genutzt werden und wie sich die pflanzliche Diversität auf das Nahrungswahlverhalten auswirkt. Neben den molekularen Methoden werden die Analyse stabiler Isotope sowie detaillierte Analysen der Struktur der Pflanzengesellschaft eingesetzt um die Nahrungsbeziehungen möglicht genau zu erfassen. Drahtwürmer, die Larven der Schnellkäfer, dienen dabei als Modellorganismen, da diese Generalisten im Boden hohe Dichten erreichen können und weltweit eine bedeutende Rolle als Schadorganismen spielen. Das für drei Jahre konzipierte Projekt hat folgende Zielsetzungen: (i) Die Entwicklung eines PCR-basierten Ansatzes zum Nachweis von Pflanzen-DNA in Drahtwürmern. (ii) Die Identifikation der Pflanzenarten und - gruppen, die im Freiland von den verschieden Schnellkäferarten konsumiert werden sowie eventuell auftretender Präferenzen hinsichtlich deren Nahrungswahl. (iii) Die Erfassung saisonal bedingter Nahrungswahl im Laufe einer Vegetationsperiode. (iv) Die Untersuchung der Nahrungswahl von Drahtwürmern in Relation zur pflanzlichen Diversität sowohl im Freiland als auch in Mesokosmos-Experimenten. Mittels umfangreicher Analysen, welche sowohl klassische Statistik beinhalten werden als auch Ordinationsverfahren, wollen wir - bisher erstmalig in der Wissenschaft - die trophischen Interaktionen zwischen im Boden lebenden herbivoren Insekten und spezifischen Pflanzenarten auf landwirtschaftlichen Flächen nachweisen. Damit wird das vorliegende Projekt den Einsatz molekularer Methoden zur Untersuchung von Nahrungsbeziehungen im Boden um den - bisher kaum untersuchten - Aspekt Tier-Pflanze erweitern.

Ein Großteil der Pflanzenbiomasse ist unterirdisch zu finden, jedoch weiß man bislang nur sehr wenig über die Nahrungswahl von bodenlebenden Pflanzenfressern. Während sich gezeigt hat, dass die Identität von Pflanzen und ihre Diversität die Vorlieben von oberirdisch lebenden Herbivoren beeinflussen, liegen diese Vorgänge im Boden größtenteils noch im Dunkeln. Die Gründe hierfür sind vor allem im methodischen Bereich zu suchen eine Untersuchung der Interaktionen im Boden gestaltet sich unvergleichlich aufwändiger als dies in oberirdischen Systemen der Fall ist. Das Wissen um diese Zusammenhänge und die Mechanismen sind jedoch von grundlegender Bedeutung, um die Beziehungen zwischen Herbivoren- und Pflanzengesellschaften verstehen zu können. Im Vorliegenden bedienten wir uns der Analyse stabiler Isotope und molekularer Methoden um die Nahrungswahl von bodenlebenden Schnellkäferlarven der Gattung Agriotes, den sogenannten Drahtwürmern, zu untersuchen. Drahtwürmer sind häufig in Agrarböden zu finden wo sie an verschiedenen Pflanzen fressen, u.a. auch an Kulturpflanzen, an denen sie mitunter große Schäden verursachen können. Es gelang uns, DNA von gefressenen Pflanzen bis zu drei Tage nach ihrem Konsum nachzuweisen und zu identifizieren. In diesem Zusammenhang konnten wir molekulare Ansätze entwickeln, welche die Identifikation von Pflanzenarten, die charakteristisch für das Kulturland in Mitteleuropa sind, im Darminhalt von Pflanzenfressern erlauben. Wir fanden heraus, dass es Präferenzen für bestimmte Pflanzenarten/gruppen in der Nahrungswahl bei Agriotes Larven gibt. Ob eine Pflanze bevorzugt oder gemieden wurde, erwies sich als unabhängig von der pflanzlichen Vielfalt - das Ausmaß dieser Bevorzugung/Meidung änderte sich jedoch mit zunehmender pflanzlicher Diversität. Die Tatsache, dass diverse Pflanzengesellschaften eine attraktive Futterquelle in Äckern bieten, kann auch genützt werden um Drahtwürmer von den Kulturpflanzen weg zu locken. Wir konnten nachweisen, dass der Schaden an Mais, mittels Einsatz eines entsprechenden Alternativangebotes an Nahrung, um bis zu 50% reduziert werden konnte. Darüber hinaus scheinen Drahtwürmer sich nicht zwischen den Feldern zu bewegen. Die Ursache dafür ist wahrscheinlich ein ausreichendes Nahrungsangebot vor Ort. Zusätzlich zu den Untersuchungen der Nahrungsbeziehungen, entwickelten wir ein molekulares Werkzeug zur Identifikation der Larven der häufigsten Agriotes Arten Mitteleuropas, anhand dessen wir die Verbreitung von Agriotes Arten in österreichischem Kulturland in Zusammenhang mit Umweltparametern untersuchten. Zusammenfassend lieferte das vorliegende Projekt neue Technologien um Nahrungsbeziehungen im Boden zu untersuchen. Mittels dieser Methodik konnten neue Erkenntnisse über die Nahrungsökologie bodenlebender, herbivorer Insekten gewonnen werden konnten, auf Basis derer nicht zuletzt auch neue Ansätze zur effektiven und nachhaltigen Kontrolle dieser Schadorganismen entwickelt werden können.