Myrosinase enzymes play a key role in the chemical defense of plants of the order Brassicales. Upon herbivory, myrosinases hydrolyze the β-S-linked glucose moiety of glucosinolates, the characteristic secondary metabolites of brassicaceous plants, which leads to the formation of different toxic hydrolysis products. The specialist flea beetle, Phyllotreta armoraciae, is capable of accumulating high levels of glucosinolates in the body and can thus at least partially avoid plant myrosinase activity. In feeding experiments with the myrosinase-deficient Arabidopsis thaliana tgg1 × tgg2 (tgg) mutant and the corresponding Arabidopsis Col-0 wild type, we investigated the influence of plant myrosinase activity on the metabolic fate of ingested glucosinolates in adult P. armoraciae beetles. Arabidopsis myrosinases hydrolyzed a fraction of ingested glucosinolates and thereby reduced the glucosinolate sequestration rate by up to 50% in adult beetles. These results show that P. armoraciae cannot fully prevent glucosinolate hydrolysis; however, the exposure of adult beetles to glucosinolate hydrolysis products had no impact on the beetle’s energy budget under our experimental conditions. To understand how P. armoraciae can partially prevent glucosinolate hydrolysis, we analyzed the short-term fate of ingested glucosinolates and found them to be rapidly absorbed from the gut. In addition, we determined the fate of ingested Arabidopsis myrosinase enzymes in P. armoraciae. Although we detected Arabidopsis myrosinase protein in the feces, we found only traces of myrosinase activity, suggesting that P. armoraciae can inactivate plant myrosinases in the gut. Based on our findings, we propose that the ability to tolerate plant myrosinase activity and a fast glucosinolate uptake mechanism represent key adaptations of P. armoraciae to their brassicaceous host plants.

käfern mindestens so hoch ist wie in den Blättern der Futterpflanze, fragten sich die Wissenschaftler, ob sich den Käferlarven damit eine neue Option der Abwehr von Feinden eröffnet, zu denen auch die räuberischen Larven des asiatischen Marienkäfers (Harmonia axyridis, Abbildung 2) gehören. Wurden diesen im Experiment Larven des Meerretticherdflohs angeboten, die Senfölglykoside mit ihrer Nahrung zu sich genommen hatten, hörten die Marienkäferlarven schon nach wenigen Sekunden auf zu fressen, und jede dritte von ihnen erbrach die aufgenommene Mahlzeit. Da die Räuber nach dem Kontakt mit Gift enthaltenden Erdflohkäferlarven schnell lernten, die Artgenossen zu meiden, konnten mehr als zwei Drittel von ihnen überleben. Dagegen wurden Larven, die ernährungsbedingt wenig Senfölglykoside enthielten, von den Marienkäfern bereitwillig gefressen, und 90 Prozent dieser Erdflohkäferlarven überlebten den Angriff nicht. Solche Fütterungsexperimente bestätigten auch die toxische Wirkung der Senfölglykoside auf die Marienkäferlarven. Demnach setzen die Larven der Erdflohkäfer das Gift ihrer Futterpflanze als chemische Waffe für die Abwehr der eigenen Feinde ein. Allerdings wird dadurch nicht jede einzelne Larve geschützt, denn nur wenn einige von ihnen dem Angriff der Räuber zum Opfer fallen, kann die gesamte Population von dem so ausgelösten Lernprozess profitieren. Überraschend war, dass die Marienkäferlarven Eier, Puppen oder ausgewachsene Erdflohkäfer unbeschadet fressen konnten, obwohl diese deutlich mehr Senfölglykoside enthielten als die Erdflohkäferlarven. Und wenn die Räuber die Wahl hatten, bevorzugten sie stets die Puppen vor den Larven. Dieses Paradox erklärten die Wissenschaftler damit, dass vor allem die Larven des Erdflohkäfers in der Lage sind, die Glykoside zu spalten und Senföle freizusetzen, denn sie besitzen etwa 43fach mehr von der dafür benötigten Myrosinase. Deren Aktivität war unabhängig von der aufgenommenen Nahrung und selbst dann nachweisbar, wenn die Larven auf einer Mutante als Futterpflanze gezüchtet wurden, die das pflanzeneigene Enzym nicht bilden konnte. Die Erdflöhe beziehen also nur die Senf-öle von der Futterpflanze. Die zweite Komponente ihrer Abwehrstrategie produzieren die Larven selbst, um die Waffe zu schärfen. Dass dies nur die Larven tun, nicht aber die ausgewachsenen, zum Sprung bereiten Käfer, ist eine bemerkenswerte Anpassung an den durch räuberische Feinde ausgeübten Selektionsdruck. Eine spannende Frage bleibt noch zu lösen: Auch beim Erdflohkäfer werden wie bei den Pflanzen die toxischen Senföle nur nach Verletzungen freigesetzt. Demnach speichert auch der Erdfloh die Senfölglykoside räumlich getrennt von der körpereigenen Myrosinase. Im Experiment lassen sich die beiden Komponenten in Kontakt bringen, indem die Hämolymphe eingefroren und wieder aufgetaut wird, um die darin enthaltenen Zellen zum Platzen zu bringen. Wie der entsprechende Vorgang im Darm des räuberischen Insekts innerhalb kürzester Zeit abläuft, ist bislang noch unklar. Literatur [1] T. Sporer et al., Functional ...

The horseradish flea beetle Phyllotreta armoraciae exclusively feeds on Brassicaceae, which contain glucosinolates as characteristic defense compounds. Although glucosinolates are usually degraded by plant enzymes (myrosinases) to toxic isothiocyanates after ingestion, P. armoraciae beetles sequester glucosinolates. Between and within brassicaceous plants, the glucosinolate content and composition can differ drastically. But how do these factors influence sequestration in P. armoraciae? To address this question, we performed a five-day feeding experiment with three Arabidopsis thaliana lines that differ four-fold in glucosinolate content and the composition of aliphatic and indolic glucosinolates. We quantified the amounts of ingested, sequestered, and excreted glucosinolates, and analyzed the changes in glucosinolate levels and composition in beetles before and after feeding on Arabidopsis. P. armoraciae accumulated almost all ingested glucosinolate types. However, some glucosinolates were accumulated more efficiently than others, and selected glucosinolates were modified by the beetles. The uptake of new glucosinolates correlated with a decrease in the level of stored glucosinolates so that the total glucosinolate content remained stable at around 35 nmol/mg beetle fresh weight. Beetles excreted previously stored as well as ingested glucosinolates from Arabidopsis, which suggests that P. armoraciae regulate their endogenous glucosinolate level by excretion. The metabolic fate of ingested glucosinolates, i.e. the proportions of sequestered and excreted glucosinolates, depended on glucosinolate type, content, and composition in the food plant. Overall, P. armoraciae sequestered and excreted up to 41% and 31% of the total ingested aliphatic and indolic glucosinolates from Arabidopsis, respectively. In summary, we show that glucosinolate variability in Brassicaceae influences the composition but not the level of sequestered glucosinolates in P. armoraciae beetles.

Glucosinolates, the characteristic secondary metabolites of Brassicales, are hydrolyzed upon herbivory by myrosinases to toxic and deterrent defense metabolites. The specialist flea beetle, Phyllotreta armoraciae, sequesters glucosinolates in the body despite myrosinase activity, but it is unknown whether plant myrosinase activity influences sequestration and how beetles prevent the hydrolysis of ingested glucosinolates. In feeding experiments performed with the myrosinase-deficient Arabidopsis thaliana tgg1tgg2 (tgg) mutant and the corresponding wild type, we found that plant myrosinases reduced the glucosinolate sequestration rate by up to 50% and hydrolyzed a fraction of ingested glucosinolates in adult beetles. Although these results show that P. armoraciae cannot fully prevent glucosinolate hydrolysis, we observed no negative influence on beetle performance. To understand how P. armoraciae can avoid the hydrolysis of some ingested glucosinolates, we analyzed their fate directly after ingestion. P. armoraciae rapidly absorbed glucosinolates across the gut epithelium, a strategy that has been proposed to prevent hydrolysis in the gut lumen of sequestering insects. Moreover, beetle gut content suppressed in vitro myrosinase activity, and almost no myrosinase activity was detectable in the feces, which indicates that ingested myrosinases are inactivated in the beetle gut. In summary, we show that P. armoraciae uses several strategies to prevent the hydrolysis of ingested glucosinolates but can also tolerate the formation of glucosinolate hydrolysis products.