How individual olfactory receptors affect olfactory guided behavior in Drosophila

Retzke, Tom GND

Auf diesem Planeten leben unzählige Tierarten, von denen Insekten mir ca. sechs Millionen Arten die Größte Untergruppe bilden. Tiere senden und empfangen ständig Informationen, um sich in ihrer Umgebung zu orientieren und mit anderen zu kommunizieren. Auf diese Weise finden Insekten Nahrung, vermeiden potentielle Fraßfeinde, finden Paarungspartner und nicht zuletzt geeignete Eiablageplätze. Dabei benutzen sie verschiedene Kanäle, um die entsprechenden Informationen aus der Umgebung herauszufiltern. Abhängig von der Umgebung und der Nische, die eine Art besetzt, verlassen sich Insekten hauptsächlich entweder auf visuelle oder olfaktorische Reize in manchen Fällen auch auf beides gleichzeitig. Zusätzliche Informationen sammeln sie über Mechanorezeption, Vibration oder Geschmacksrezeption. Das Hauptziel dieser Dissertation war es den Beitrag von einzelnen olfaktorischen Rezeptoren (ORs) zu dem duftgesteuerten Verhalten von Drosophila melanogaster zu untersuchen. Ein Kernpunkt beschäftigt sich daher mit der sexuellen intraspezifischen Kommunikation dieser Fliegenart. Während unserer Untersuchungen fanden meine Kollegen und ich eine bisher unbekannte Quelle für die Analyse von liegenpheromonen Fliegenkot (Manuskript II). Unter anderem benutzte ich den Flywalk, ein high-troughput Bio-Assay, welches in unserer Abteilung speziell entwickelt wurde, um zu zeigen, dass Drosophila melanogaster den Geruch von Fliegenkot wahrnimmt und diesen auch attraktiv findet. Weitere Untersuchungen ergaben, dass sich das chemische Profil, welches wir im Kot fanden, mit dem der Fliegencuticula gleicht. Wir fanden in beiden Quellen die bekannten Fliegenpheromone Methyllaurat, Methylmyristat, Methylpalmitat und 11-cis-Vaccenylacetat (cVA). Außerdem konnten wir zeigen, dass die Attraktion der Fliege zum Kot durch ein Zusammenspiel aller genannten Komponenten zustande kommt. Wenn wir nur eine spezifische Population von olfaktorisch-sensorischen Neuronen ausgeschaltet haben, zeigten die Testtiere kein Attraktionsverhalten. Weiterhin präsentierten wir Ergebnisse, die aufdecken, wie dieses sensible System durch parasitäre Bakterien ausgenutzt wird (Manuskript III). Pathogene, welche das Immunsystem der Fliegen aktivieren, sind in der Lage die Menge an produzierten im Wirt zu erhöhen. Auf diese Weise kommt es zu vermehrten Kontakt zwischen den Individuen, was wiederum die Chancen für die Bakterien erhöht sich auszubreiten. Im zweiten Abschnitt meiner Dissertation beschäftige ich mich mit einem anderen Teil des olfaktorischen Systems von Insekten der Wahrnehmung und Verarbeitung von Futterdüften. Dazu haben meine Kollegen und ich als erste untersucht, ob die Larven und adulten Tiere von Drosophila melanogaster unterschiedliche Präferenzen haben, wenn ihnen eine bunte Mischung an Früchten präsentiert wird (Manuskript V). In der Tat fanden wir Unterschiede in den beiden Entwicklungsstadien hinsichtlich ihrer Vorlieben. Während die Larven besonders Erdbeeren, Passionsfrucht und Ananas mochten, entschieden sich die adulten Tiere für Johannisbeere, Kiwi und Feige. Daraufhin beteiligte ich mich an einer Studie, die die Verarbeitungen von Duftmischung untersuchte, um einen ersten Schritt zu machen, dieses Phänomen zu verstehen (Manuskript IV). Da Fruchtdüfte im wesentlichen ein komplexer Mix aus verschiedenen Einzeldüften sind, haben wir einen einfacheren Ansatz gewählt und binäre Mischungen von attraktiven und aversiven Düften analysiert. Dabei fanden wir eine verhältnisabhängige Duftantwort der getesteten Tiere, was bedeutet, dass bei einer höheren Konzentration der attraktiven Komponente auch die Mischung mit dem aversiven Duft als attraktiv von den Fliegen empfunden wurde und anders herum. In diesem Zusammenhang haben wir auch die Rolle der lokalen Interneurone (LNs) im Antennallobus bezüglich ihrer Beteiligung in der Signalmodulation untersucht. Dabei fanden wir glomerulusspezifische GABAerge Inhibitionsmuster. Nach unserem Wissen sind wir die Ersten, die zeigen konnten, dass manche Glomeruli sowohl pre- als auch postsynaptisch GABAerg inhibiert werden, während andere nur postsynaptische Inhibition erfahren. Weiterhin habe ich die unterschiedliche Effektivität von neuronalen Effektoren in Abhängigkeit von dem gewählten Bio-Assay gezeigt. Während reaper und diphtheria toxin in keinem der gewählten Experimente das duftgesteuerte Verhalten der Fliegen aufheben konnten, war die Effizienz von tetanus toxin und dem Kaliumkanal Kir2.1 sehr von dem jeweiligen Expressionslevel, sowie von dem gewählten Bio-Assay abhängig (z.B. Luftstrom/kein Luftstrom). Am Ende war das homozygot exprimierte tetanus toxin der einzige getestete Effektor, der den Phänotyp von orco-Mutanten vollständig nachahmen konnte. Die Ergebnisse dieser Dissertation heben die genaue Planung von Experimenten hervor, um zu verhindern, dass Resultate durch einen ungünstigen Aufbau verfälscht werden können. Weiterhin öffnet diese Doktorarbeit die Tür zu einer Zukunft, in der der Kot von Schädlingen analysiert wird, um Lockmittel für eine ökologische Bekämpfung zu entwickeln. Auf diese Weise schützen wir nicht nur die Ernte, sondern auch ihre Umwelt – Mutter Erde.

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Retzke, Tom: How individual olfactory receptors affect olfactory guided behavior in Drosophila. Jena 2018.

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