共生パートナーは、トウヒ樹脂のテルペンを揮発性代謝産物に変換する。 The symbiotic partners transform terpenes from spruce resin into volatile metabolites
2021-02-21 マックス・プランク研究所
◆近年観察されているキクイムシの大量発生は、ドイツ全土に衝撃的な量の森林被害をもたらしている。2022年7月に連邦統計局が報告したように、前年に伐採しなければならなかった樹木の80%以上が虫害を受けた。虫害によって伐採された被害木材は、4000万立方メートル以上にのぼった。主な害虫のひとつは、ヨーロッパトウヒカメムシIps typographusです。例えば、チューリンゲン森林やハルツ山地では、体長わずか数ミリのこの甲虫が、高温と長期の干ばつですでに弱っていたトウヒの単収穫に遭遇し、害虫の拡散を容易にしたため、短期間のうちに広大な森林群を死滅させるに至ったのだ。
◆キクイムシの大量発生には、化学的なコミュニケーションが重要な役割を果たしていることが、すでに研究者たちによって知られていた。カミキリムシはまず適当な木を選び、集合フェロモンと呼ばれるものを出す。このフェロモンが周囲の仲間を引きつけ、木の防御を突破して集団攻撃に参加する。すでにストレスで防御力が低下しているトウヒの木は、より容易に打ち負かされる。
◆このたび、スウェーデン・ルンド大学のディネシュクマール・カンダサミー教授とドイツ・イエナのマックスプランク化学生態学研究所のジョナサン・ガーシェンソン教授の国際研究チームは、トウヒの樹脂成分を分解した際に菌類が放出する揮発性化学物質から、ヨーロッパトウヒのキクイムシが共生する菌類を見つけることができることを発見しました。
◆研究者らは、カブトムシに有害な病原真菌もスプルース樹脂化合物を代謝することを発見した。しかし、共生菌の代謝産物とは異なり、生成された誘導体はキクイムシにとって魅力的な物質ではない。そのため、キクイムシは嗅覚を使って、樹木に存在する菌類が自分にとって良いものか悪いものかを見分けることができるのだ。行動観察の結果、菌類がカブトムシを引きつけるだけでなく、トンネルを掘るように刺激することが明らかになり、科学者たちは特に驚きました。
◆真菌の代謝産物が、すでに菌類が蔓延しているトウヒの木をキクイムシにとってさらに魅力的にするというさらなる証拠は、キクイムシがこれらの匂いを知覚する際の電気生理学的研究によって得られたものだ。この研究では、カイガラムシの触角にある個々の嗅覚神経が、さまざまなにおいに対してどのような反応を示すかをテストした。その結果、キクイムシは、菌類が発する酸素を含むモノテルペンを感知するのに特化した嗅覚神経を感覚野に持つことが明らかになった。
<関連情報>
- https://www.mpg.de/19883184/0213-choe-symbiotic-fungi-transform-terpenes-from-spruce-resin-into-attractants-for-bark-beetles-155371-x
- https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3001887
針葉樹を枯らすキクイムシは宿主樹木のモノテルペンの揮発性菌代謝物を検出することにより菌類共生体を見つけることができる Conifer-killing bark beetles locate fungal symbionts by detecting volatile fungal metabolites of host tree resin monoterpenes
Dineshkumar Kandasamy ,Rashaduz Zaman,Yoko Nakamura,Tao Zhao,Henrik Hartmann,Martin N. Andersson,Almuth Hammerbacher,Jonathan Gershenzon
PLOS Biology Published:: February 21, 2023
DOI:https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3001887
Abstract
Outbreaks of the Eurasian spruce bark beetle (Ips typographus) have decimated millions of hectares of conifer forests in Europe in recent years. The ability of these 4.0 to 5.5 mm long insects to kill mature trees over a short period has been sometimes ascribed to two main factors: (1) mass attacks on the host tree to overcome tree defenses and (2) the presence of fungal symbionts that support successful beetle development in the tree. While the role of pheromones in coordinating mass attacks has been well studied, the role of chemical communication in maintaining the fungal symbiosis is poorly understood. Previous evidence indicates that I. typographus can distinguish fungal symbionts of the genera Grosmannia, Endoconidiophora, and Ophiostoma by their de novo synthesized volatile compounds. Here, we hypothesize that the fungal symbionts of this bark beetle species metabolize spruce resin monoterpenes of the beetle’s host tree, Norway spruce (Picea abies), and that the volatile products are used as cues by beetles for locating breeding sites with beneficial symbionts. We show that Grosmannia penicillata and other fungal symbionts alter the profile of spruce bark volatiles by converting the major monoterpenes into an attractive blend of oxygenated derivatives. Bornyl acetate was metabolized to camphor, and α- and β-pinene to trans-4-thujanol and other oxygenated products. Electrophysiological measurements showed that I. typographus possesses dedicated olfactory sensory neurons for oxygenated metabolites. Both camphor and trans-4-thujanol attracted beetles at specific doses in walking olfactometer experiments, and the presence of symbiotic fungi enhanced attraction of females to pheromones. Another co-occurring nonbeneficial fungus (Trichoderma sp.) also produced oxygenated monoterpenes, but these were not attractive to I. typographus. Finally, we show that colonization of fungal symbionts on spruce bark diet stimulated beetles to make tunnels into the diet. Collectively, our study suggests that the blends of oxygenated metabolites of conifer monoterpenes produced by fungal symbionts are used by walking bark beetles as attractive or repellent cues to locate breeding or feeding sites containing beneficial microbial symbionts. The oxygenated metabolites may aid beetles in assessing the presence of the fungus, the defense status of the host tree and the density of conspecifics at potential feeding and breeding sites.
