title: Kinetics and dynamics of plant toxins in sequestering insects
Creators: name: Betz, Anja
Publisher: name: Universität Hohenheim
Year: 2024
Subjects: subject: 570

description: Many plants produce a variety of chemical compounds to protect themselves from herbivorous insects. However, numerous insects have developed adaptations to tolerate and even utilize these toxins. These adaptations can include behavioral changes (feeding on or avoiding toxic plant parts), detoxification (metabolizing or excreting the toxins), barriers (preventing uptake or protecting target sites), or sequestration (storing secondary plant compounds in the body for self-defense). A widely distributed group of phytochemicals are the cardiac glycosides, which have been extensively studied in chemical ecology. These toxic steroids act in a highly specific manner by inhibiting the Na+/K+-ATPase, an essential transmembrane cation carrier that is ubiquitously expressed in animal cells. A cardiac glycoside-resistant Na+/K+-ATPase was first described in the monarch butterfly (Danaus plexippus, Lepidoptera: Danaini), which sequesters cardiac glycosides from its food plants. This led to the hypothesis that the evolution of a resistant Na+/K+-ATPase is linked to the sequestration of cardiac glycosides. It is now known that species from at least six insect orders possess Na+/K+-ATPases with reduced affinity for cardiac glycosides. This resistance is mediated by a few amino acid substitutions in the binding site, a mechanism referred to as "target site insensitivity." Interestingly, the ability to tolerate dietary cardiac glycosides does not necessarily require a resistant Na+/K+-ATPase. For example, the non-sequestering common crow (Euploea core, Lepidoptera: Danaini) can develop on cardiac glycoside-containing plants without expressing a resistant Na+/K+-ATPase. Although plant toxin sequestration has been documented in more than 275 insect species, the underlying kinetics and dynamics of toxin transport - such as the duration and mode of transport, target sites, barriers, and potential modified binding sites - remain largely unknown. Like the Danaini, milkweed bugs (Heteroptera: Lygaeinae) also have the ability to sequester cardiac glycosides. Remarkably, one species within this family, Spilostethus saxatilis, is able to sequester not only cardiac glycosides but also colchicine alkaloids from autumn crocus (Colchicum autumnale, Liliales: Colchicaceae). Colchicine binds to unpolymerized betatubulin at the interface with alpha-tubulin, thereby inhibiting microtubule formation. However, it is not known how colchicine resistance is achieved in S. saxatilis and whether there is also target site insensitivity. In my dissertation, I investigated the mechanisms behind the sequestration of cardiac glycosides in D. plexippus and colchicine in S. saxatilis within a phylogenetic framework. In D. plexippus, I was able to show that sequestration begins at the behavioral level, because unlike related species, caterpillars can increase their toxicity in the adult stage by drinking plant latex containing cardiac glycosides. I also found that a large portion of cardiac glycosides is lost during metamorphosis, suggesting that excessive toxin intake during the larval stage may be important. Furthermore, I could show that the uptake of the toxin by the intestinal epithelium is a very rapid process although probably not specific to D. plexippus, as uptake in nonsequestering lepidopterans does also occur. Regarding the sequestration of colchicine in S. saxatilis, I identified an amino acid substitution in the colchicine binding site of tubulin. Subsequently, an in vitro colchicine binding assays with crude tubulin extract of bug tissue and an in vivo feeding experiment with genetically modified Drosophila with one matching substitution in the colchicine binding site were conducted. Together both experiments suggest that this modification may play a crucial role in the sequestration of colchicine, indicating a novel natural target site resistance. My dissertation provides new insights into how insects adapt to toxic food plants and how they sequester their toxic metabolites. This contributes not only to a better understanding of how insects cope with natural plant toxins, but also to a better understanding of the physiological complexity of these adaptations.
description: Viele Pflanzen produzieren chemische Abwehrstoffe, um sich vor Insektenfraß zu schützen. Zahlreiche Insekten haben jedoch Strategien entwickelt, um diese Gifte zu tolerieren oder sogar zu nutzen. Diese Anpassungen können Verhaltensaspekte (Fressen oder Nicht-Fressen giftiger Pflanzenteile), Entgiftung (Metabolisierung, Ausscheidung), Barrieren (Verhinderung der Aufnahme, Schutz des Wirkortes) oder Sequestrierung (Speicherung sekundärer Pflanzenstoffe im Körper zum Selbstschutz) umfassen. Eine weit verbreitete Gruppe toxischer Phytochemikalien sind die Herzglykoside, die in der chemischen Ökologie eingehend untersucht wurden. Diese Steroide wirken hochspezifisch, indem sie die Na+ /K+ -ATPase hemmen, ein essentielles Transmembranprotein, welches in tierischen Zellen ubiquitär vorkommt. Eine Herzglykosid-resistente Na+ /K+ -ATPase wurde erstmals beim Monarchfalter (Danaus plexippus, Lepidoptera: Danaini) beschrieben, der Herzglykoside aus seiner Nahrung sequestriert. Dies führte zur Vermutung, dass die Evolution einer resistenten Na+ /K+ -ATPase mit der Sequestrierung von Herzglykosiden zusammenhängt. Inzwischen ist bekannt, dass Arten aus mindestens sechs Insektenordnungen resistente Na+ /K+ -ATPasen mit verminderter Affinität für Herzglykoside besitzen. Diese Resistenz wird durch wenige Aminosäureaustausche an der Bindungsstelle vermittelt, ein Mechanismus, der als „Target Site Insensitivity“ bezeichnet wird. Interessanterweise erfordert die Fähigkeit, Herzglykoside zu tolerieren, keine resistente Na+ /K+ -ATPase. Beispielsweise kann sich der nicht-sequestrierende Euploea core (Lepidoptera: Danaini) auf Herzglykosid-haltigen Pflanzen entwickeln, ohne eine resistente Na+ /K+ -ATPase zu exprimieren. Die Sequestrierung von Pflanzentoxinen ist bisher für mehr als 275 Insektenarten dokumentiert, jedoch sind Kinetik und Dynamik, also Dauer und Art des Transports, Wirkorte, Barrieren und mögliche modifizierte Bindungsstellen noch weitgehend unbekannt. Wie die Danaini können auch Ritterwanzen (Heteroptera: Lygaeinae) Herzglykoside speichern. Eine Art, Spilostethus saxatilis, kann jedoch nicht nur Herzglykoside, sondern auch Colchicum- Alkaloide aus der Herbstzeitlose (Colchicum autumnale, Liliales: Colchicaceae) sequestrieren. Colchicin bindet an unpolymerisiertes Beta-Tubulin an der Schnittstelle zu Alpha-Tubulin und hemmt dadurch die Mikrotubuli-Bildung. Es ist jedoch nicht bekannt, wie die Colchicin- Resistenz in S. saxatilis entsteht und ob auch hier eine Unempfindlichkeit gegenüber der Bindestelle besteht. In meiner Dissertation untersuchte ich die Mechanismen hinter der Sequestration von Herzglykosiden in D. plexippus und Colchicin in S. saxatilis im phylogenetischen Kontext. Bei D. plexippus konnte ich zeigen, dass die Sequestrierung auf der Verhaltensebene beginnt, denn im Gegensatz zu verwandter Art können die Raupen ihre Toxizität im Erwachsenenstadium erhöhen, indem sie herzglykosidhaltigen Pflanzenlatex trinken. Außerdem habe ich festgestellt, dass ein großer Teil der Herzglykoside während der Metamorphose verloren geht. Daher könnte eine übermäßige Aufnahme von Toxinen während des Larvenstadiums von Bedeutung sein. Meine Ergebnisse zeigen auch, dass die Aufnahme durch das Darmepithel ein sehr schneller Prozess ist, der wahrscheinlich kein spezifisches Merkmal von D. plexippus ist, da ich die Aufnahme auch bei nicht-sequestrierenden Schmetterlingen nachweisen konnte. Bezüglich der Sequestrierung von Colchicin in S. saxatilis identifizierte ich einen Aminosäureaustausch in der Colchicin-Bindungsstelle von Tubulin. Darüber hinaus führte ich in vitro Colchicin-Bindungsassays mit Tubulin durch und testete genetisch veränderte Drosophila mit dieser Mutation im Tubulin-Gen auf Colchicin-Toleranz. Meine Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese Modifikation eine entscheidende Rolle bei der Sequestrierung von Colchicin spielen könnte, was auf eine neuartige natürliche Wirkortresistenz hinweist. Meine Dissertation liefert neue Erkenntnisse darüber, wie sich Insekten an giftige Nahrungspflanzen anpassen und deren giftige Stoffwechselprodukte speichern. Dies trägt zu einem besseren Verständnis der Art und Weise bei, wie Insekten mit Pflanzengiften umgehen, sowie zur physiologischen Komplexität dieser Anpassungen.