Morphologische, chemisch-ökologische und molekularbiologische Untersuchungen zur Phylogenie der Sermylini (Coleoptera: Chrysomelidae)

Abstract

Im Zentrum diese Untersuchung standen Arten der Sermylini, eines Subtaxons der artenreichen Blattkäfer-Unterfamilie Galerucinae. Einige Arten der Sermylini haben in ihren Larvalstadien Wehröffnungen an Thorax und Abdomen. Unklar war, welche ökologische Relevanz diese morphologischen Strukturen haben, ob es sich um exokrines Gewebe handelt und ob diese Strukturen als Merkmal für phylogenetische Untersuchungen geeignet sind. Nach lichtmikroskopischer und REM-Untersuchung können zwei Typen von Wehrstrukturen unterschieden werden. 1. Typ Agelastica alni: Die Larven verfügen über dorsolateral paarweise an den Abdominalsegmenten 1-8 lokalisierte ausstülpbare kutikulare Säckchen mit assozierten Drüsenzellen. 2. Typ Sermylassa halensis: Die Wehröffnungen sind ohne ausstülpbare Säckchen und ohne exokrine Drüsen. Damit konnte eindeutig gezeigt werden, daß die bisher auch als Wehrdrüsen bezeichneten Wehrstrukturen vom Typ S. halensis keine Drüsenorgane sind. Alle untersuchten Larven sondern über die Wehröffnungen nach taktiler Reizung Hämolymphe ab. Diese wirkt auch noch in starker Verdünnung signifikant fraßhemmend auf Arbeiterinnen der Ameise Myrmica rubra. Nach Aufarbeitung von wässerigen Verdünnungen der Wehrflüssigkeit mit Biotestkontrolle kann folgende Charakterisierung fraßdeterrenten Verbindungen der Wehrflüssigkeiten gegeben werden: Sie sind hochpolar, hitzestabil, nicht flüchtig und weisen ein Molekulargewicht von weniger als 3 kD auf. Die Abgabe von Wehrflüssigkeit führt nur bei den gregär fressenden Larven des Erlenblattkäfers Agelastica alni zu einer Fluchtreaktion konspezifischer Larven aus derselben Gruppe. Es stellte sich daher die Frage, ob das Sekret der an diesen Wehröffnungen entdeckten exokrinen Drüsen die Alarmreaktion auslöst. Es wurden auch Tests mit Hämolymphe, die aus einem Bein entnommen worden war, und Tests mit Dichlormethan extrahierten konspezische Eigelege durchgeführt. Diese Duftproben erwiesen sich auch als alarmauslösend, so daß die exokrinen Drüsen als Quelle für das Alarmpheromon nicht infrage kommen. Allerdings reagierten statistisch signifikant etwas mehr Larven auf die Wehrflüssigkeit als auf Hämolymphe. Die angereicherten alarmauslösenden Duftstoffe aus Wehrflüssigkeit und Hämolymphe von Agelastica alni wurden außerdem mittels GC-MS chemisch analysiert. Dabei konnte in beiden Probentypen jeweils 10 Verbindungen detektiert werden, u.a. (E)- 4,8-Dimethyl-1,3,7-nonatrien, das mit der Wehrflüssigkeit in deutlich höheren Mengen abgegeben wurde. Außerdem fanden sich in den Proben der Wehrflüssigkeit zusätzlich Spuren eines alkylierten Pyrazins. Um einen Beitrag zur Systematik der Galerucinae zu liefern, wurden drei DNA-Abschnitte (Ef1?, 12S rRNA und 16S rRNA) von 51 Galerucinae-Arten sowie 9 Chrysomelinae-Arten als Außengruppe sowohl getrennt als auch gekoppelt mit dem Computerprogramm POY ausgewertet und eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt. Die Ergebnisse liefern keine Hinweise für die Monophylie der Tribus Sermylini: Die Arten mit Wehrdrüsen des Typs A. alni finden sich stets deutlich getrennt von zusammen gruppierten Arten mit Wehröffnungen des Typs S. halensis. Dies deutet auf eine konvergente Entwicklung von Wehröffnungen innerhalb der Galerucinae hin.

The principle focus of this investigation were species of Sermylini, a tribe of the species-rich leaf beetle subfamily Galerucinae. Several species of the Sermylini bear larval defensive openings on thoracal and abdominal segments. However, clear evidence for the presence of glandular cells was lacking, as well as informaton on the composition of the secretion and on the defensive potential of these structures. The defensive openings were investigated by means of scanning electron microscopy and histological methods. Two types of defensive openings were distinguished. 1. Type Agelastica alni: larvae posess eversible sac-like structures located pairwise dorsolaterally on abdominal segments 1-8, each connected to a glandular cell by a short cuticular canal. 2. Type Sermylassa halensis: defensive openings lack eversible sacs and exocrine glands in direct relation to openings. This provides evidence that the so called defensive glands of Galerucinae form two types, one of which clearly lacks glandular cells. All species investigated discharge sticky haemolymph from their defensive openings. Even strongly diluted with water it significantly deter ants (Myrmica rubra L.) from feeding. After fractionization of a watery dilution of the defensive fluid under bioassay control the following characterization can be made. Ant detering compounds are highly polar, heat resistant, not volatile, and have a molecular weight under 3 kD. Gregariously feeding larvae of the alder leaf beetle, Agelastica alni, are alerted by volatiles from the discharged defensive fluid. It was suspected that exocrine gland cells which are associated to the defensive openings might be the source of the alarming signal. Bioassays with hemolymph taken from a larva?s leg and egg extracts with dichloromethan, respectivly, showed that these fluids contain the alerting compound as well. Therefore exocrine glands associated with defensive openings are not likely to be the source of the alerting signal. However, the alarming effect of the fluid released from defensive openings was significantly higher than effects from volatiles of hemolymph. Volatiles of the defensive fluid and the hemolymph, respectively, of Agelastica alni sampled by purge and cold trap were analyzed by GC-MS. Ten compounds could be detected, one of which, (E)-4,8-Dimethyl-1,3,7-nonatrien, was present in higher amounts in defensive fluid than in hemolymph. Additionally, traces of a putative methoxyalkylpyrazine were detected in the defensive fluid of A. alni only. To contribute arguments on Galerucine phylogeny three parts of the beetle genome, Ef1?, 12S rRNA, and 16S rRNA, were sequenced from 51 Galerucine species and 9 chrysomeline species as an outgroup. The data set was analysed separately and combined, respectively, using the phylogenetic program POY. A sensitivity analysis was performed. Parameter sets which gave the lowest ILD measure were chosen. The most- parsimonious tree failed to support monophyly of the tribe Sermylini. Species with larval defensive openings type A. alni are clearly separated from species with defensive openings type S. halensis which are grouped together. This indicates that larval defensive openings of different types have been evolved convergently.