Prof. Dr. Klaus Peschke - Research
1) Chemische Ökologie: Pheromone und Wehrsekrete der Arthropoden
2) Verhaltensökologische und genetische Analyse von Paarungssystemen
3) Funktionmorphologie von Genitalorganen und Spermien der Insekten
(Spermienkonkurrenz und cryptic female choice)
4) Systematik und phylogenetische Rekonstruktion von Merkmalsevolution
Allgemein
Im Zentrum meiner Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Evolutionsbiologie
und Ökologie stehen Fragen nach der sexuellen Selektion
bei Insekten. In der organismischen Betrachtung sollen sowohl
proximate Mechanismen, z.B. der chemischen Kommunikation oder
der Spermienkonkurrenz, als auch ultimate Konsequenzen für
den Fortpflanzungserfolg geklärt werden. Der vergleichende
Ansatz erfordert auch die Kenntnis der Phylogenie der jeweiligen
Tiergruppe. Dazu ist ein interdisziplinärer Ansatz mit vielen
Methoden notwendig (Chemische Ökologie, Verhaltensanalyse,
Funktionsmorphologie, Genetische Analyse des Reproduktionserfolges,
Molekularsystematik). Laboruntersuchungen werden mit Freilandarbeiten
kombiniert. Hauptversuchstiere sind Kurzflügelkäfer
der Gattung Aleochara, wir arbeiten aber auch mit heimischen
Aaskäfern, wüstenlebenden Schwarzkäfern, tropischen
Diplopoden und Raubwanzen.
1) Chemische Ökologie: Pheromone und Wehrsekrete der Arthropoden
Kutikulare Kohlenwasserstoffe spielen beim Schutz vor Wasserverlusten
durch die Insektenkutikula eine entscheidende Rolle, können
aber auch in der intraspezifischen Kommunikation eingesetzt werden.
Beim Kurzflügelkäfer Aleochara curtula (Coleoptera: Staphylinidae)
fungieren langkettige Alkene als weibliche Sexualpheromone, die auch
der Modulation aggressiver Auseinandersetzungen der Männchen
und der weiblichen Partnerwahl dienen. Außerdem werden männchenspezifische
Substanzen bei der Kopula auf das Weibchen übertragen und senken
dessen Attaktivität (Antiaphrodisiaka als mate-gurading Mechanismus).
Die evolutionsbiologische Bedeutung der chemischen Kommunikation
im Paarungssystem steht im Mittelpunkt. Chemische Titerbestimmungen
und Verhaltensanalysen werden daher unter möglichst natürliche
Verhältnissen, z.T. im Freiland und an lebenden Tieren (solid-phase-microextraction)
durchgeführt. Die Käfer besitzen auch Aggregationspheromone,
die Wehrsekrete der Käfer werden ebenfalls bei intra- und intersexuellen
Interaktionen eingesetzt. Vergleichende chemische Analysen der kutikularen
Kohlenwasserstoffe bei Vertretern der Gattung Aleochara sollen die
unterschiedliche Bedeutung der chemischen Kommunikationssysteme je
nach Paarungssystem und deren Bedeutung für die reproduktive
Isolation belegen. Sie werden auch als Merkmal für chemisch-taxonomische
Untersuchungen herangezogen.
Kutikulare Kohlenwasserstoffe spielen auch bei der Erkennung von
Sexualpartnern und Partnern in der Brutpflege beim Totengräber
eine Rolle (Nicrophorus spp., Coleoptera, Silphidae; Kooperation
mit J. K. Müller, Doktorandin S. Whitlow). An wüstenlebenden
Schwarzkäfern wird die chemische Kommunikation im Paarungssystem
und bei der Brutpflege in Zusammenarbeit mit Frau Prof. Dr. A. Rasa
(Südafrika, vormals Universität Bonn) analysiert. Dabei
interessiert uns (Doktorand S. Geiselhardt) besonders der Brutparasitismus
von nahe verwandten Arten und die Erkennung von Brutbauten der Wirtsarten
durch die Kleptoparasiten und das Einschleichen durch chemische Mimikry
(kutikulare Kohlenwasserstoffe, Terpene im Wehrsekret). Wehrsekrete
von tropischen Diplopoden und Raubwanzen werden in Zusammenarbeit
mit Dr. D. Mahsberg (Institut für Tropenbiologie, Universität
Würzburg) vergleichend unteruscht. Dabei spielen Fragen zur
Biosynthese von Chinonen und zur Ausbeutung der Information durch
Räuber und Parasitoide eine Rolle (Kairomone).
Ein großer Teil der chemischen Analytik (z.B. Gaschromatographie,
Massenspektrometrie, Elektroantennogramme) wird im eigenen Labor
durchgeführt, bei komplexen chemischen Identifikationen und
Synthesen besteht eine enge Kooperation mit Prof. Dr. W. Francke,
Institut für Organische Chemie, Hamburg). Drüsen und komplexe
Mechanismen der Sekretabgabe werden funktionsmorphologisch in Kooperation
mit Frau Dr. C. Gack bearbeitet (s.u.)
Die Chemische Ökologie wird auch allgemein in einer Spezialvorlesung
behandelt, Einzelthemen in Seminaren und im Großpraktikum vertieft.
In der Abteilung arbeitet auch Frau PD Dr.S.Dobler chemisch-ökologisch.
Chemisch-ökologische Projekte wurden durch das DFG-Schwerpunktprogramm "Chemische Ökologie
- Verhaltensmodifizierende Naturstoffe", kürzlich durch
ein Kooperationsprojekt mit Frau Prof. Dr. A. Rasa gefördert.
Beispielhafte Publikationen
Peschke K, Friedrich P, Gantert C, Metzler M (1996) The use of
the tergal gland defensive secretion in male intrasexual aggression
of
the rove beetle, Aleochara curtula (Coleoptera: Staphylinidae) measured
by closed loop stripping-analyses and tandem-bioassay-mass fragmentography.
Chemoecology 7:24-33
Peschke K, Friedrich P, Kaiser U, Franke S, Francke W (1999)
Isopropyl (Z9)-hexadecenoate as a male attractant pheromone from
the sternal
gland of the rove beetle Aleochara curtula (Coleoptera: Staphylinidae).
Chemoecology 9:47-54
Beispielhafte Examensarbeiten
Geiselhardt S (2001) Potentielle Semiochemicals im Reproduktionsverhalten
von Parastizopus armaticeps Pér. (Coleoptera: Tenebrionidae):
Chemische Indentifikation, Lokalisation der Duftquellen und Adsorption
von Duftstoffen aus dem Luftraum. Diplomarbeit, Albert-Ludwigs-Universität,
Freiburg
Riedel M (2000) Chemische Analyse der kutikularen Kohlenwasserstoffe
und des Tergaldrüsensekrets und die Auslösung des männlichen
Kopulationsverhaltens bei Aleochara bilineata GYLL. (Coleoptera,
Staphylinidae). Diplomarbeit, Albert-Ludwigs-Universität, Freiburg
2) Verhaltensökologische und genetische Analyse von Paarungssystemen
Das Paarungssystem von Kurzflügelkäfern der Gattung Aleochara
wird verhaltensökologisch bearbeitet. Aggressive Auseinandersetzungen
der Männchen sichern einen hohen Fortpflanzungserfolg in Territorien,
Weibchen wählen geeignete Partner. Je nach den ökologischen
Rahmenbedingungen (Ressourcen und Geschlechterverteilungen) haben
die einzelnen Verhaltensmechanismen einen unterschiedlichen Stellenwert
in der sexuellen Selektion. Der Reproduktionserfolg wird durch genetische
Analysen der Vater- (bzw. Eltern-)-schaft quantifiziert (DNA-fingerprinting).
Neben Verhaltensanalysen im Labor versuchen wir, die Freilandbedingungen
im Labor zu simulieren oder wichtige Daten zum Paarungssystem im
Freiland zu ermitteln. Dazu muß die Ökologie von aas-
und dungbewohnenden Insekten untersucht werden. Eine Schlüsselelement
ist die parasitoide Lebensweise der Aleochara-Larven in Fliegenpuparien,
deren Verhaltensökologie ebenfalls bearbeitet wird. Das Paarungssystem
der Imagines wird aber nur im Zusammenhang mit Spermienkonkurrenz
und kryptischer weiblicher Partnerwahl verständlich (s.u.) bzw.
dessen Kenntnis ist für das Verständnis des Anpassungswertes
chemischer Kommunikation wichtig (s.o.)
DNA-Fingerprinting mit Oligonucleotidsonden wird in unserem Labor
routinemäßig an mehreren Käferarten durchgeführt.
Freilanduntersuchungen finden z.T. im Freiburger Raum, besonders
aber in Zusammenarbeit mit der Biologischen Station Neusiedlersee
(Österreich) statt.
Das Projekt wurde im kürzlich ausgelaufenen Schwerpunktprogramm "Genetische
Analyse von Sozialsystemen" durch die DFG gefördert. Beispielhafte Publikationen
Benken T, Müller JK, Peschke K (1998) Oligonucleotide DNA fingerprinting
optimized to determine parentage in three beetle species. Electrophoresis
19:158-163
Benken T, Knaak A, Gack C, Eberle M, Peschke K (1999) Variation
of sperm precendence in the rove beetle Aleochara curtula (Coleoptera:
Staphylinidae). Behaviour 136:1065-1077 Beispielhafte Examensarbeiten
Eberle M (1999) Untersuchung zur Spermienkonkurrenz bei Aleochara
bilineata (Gyll.) (Coleoptera: Staphylinidae) durch Bestimmung
des individuellen Fortpflanzungserfolges nach Mehrfachverpaarung
mittels
DNA-Fingerprinting. Diplomarbeit, Albert-Ludwigs-Universität,
Freiburg
Knaak A (1996) Spermienkonkurrenz und Fortpflanzungserfolg bei
Mehrfachkopulationen von Aleochara curtula (Coleoptera: Staphylinidae).
Wissenschaftliche
Arbeit zur wissenschaftlichen Prüfung für das Lehramt an
Gymnasien, Albert-Ludwigs-Universität, Freiburg
3) Funktionmophologie und Genitalorganen und Spermien der Insekten
(Spermienkonkurrenz und cryptic female choice)
Die komplizierten Genitalorgane der Insekten werden unter dem Blickwinkel
der sexuellen Selektion in Zusammenarbeit mit Frau Dr. C. Gack
untersucht. Weibchen können die Aufnahme von Spermien, deren Speicherung
und Verwendung bei der Befruchtung durch den Bau der Spermatheken
steuern. Männchen haben mit ihren Genitalorganen und komplexen
Spermatophoren Mechanismen entwickelt, die weiblichen Hindernisse
und Filter zu überwinden. Mit in vivo Beobachtungen konnten
wir bei der Art A. curtula Spermienverdrängung direkt nachweisen.
Selbst nahe verwandte Arten zeigen extreme Unterschiede im Bau der
männlichen und weiblichen Genitalorgane und andere Mechanismen
der Spermienkonkurrenz. Extravagante Merkmale im Wettlauf der Geschlechter
werden vor einem phylogenetischen Hintergrund betrachtet (s.u.)
Besonderes Augenmerk richten wir auf die Morphologie und Motilität
der Spermien, die bei Aleochara-Arten eine extreme Größenvariation
aufweisen, die wahrscheinlich bei der Spermienkonkurrenz von großer
Bedeutung ist. Da die biomechanischen Voraussetzungen für die
Spermienmotilität bisher schlecht untersucht waren, haben
wir eine grundlegende feinstrukturelle und biopyhsikalische Analyse
der
Bewegung an Insektenspermien begonnen (Doktorand M. Werner, in
Kooperation mit dem Biophysiker PD.Dr.T.Speck und Dr. D. Zissler,
Entwicklungsbiologie).
Die funktionsmorphologischen Untersuchungen erfordern Präparationen
und experimentelle Manipulationen im Mikromaßstab, biochemische
und biomechanische Arbeiten und verschiedene histologische und mikroskopische
Techniken (Lichtmikroskopie mit verschiedenen Methoden, Raster- und
Transmissions-Elektronenmikroskopie, computergestützte Morphometrie
und Bewegunsanalysen). Die funktionsmorphologischen Daten werden
mit Ergebnissen zur sperm precedence mit DNA-analytischen Methoden
korreliert.
Das Projekt zur Spermienmotilität wird derzeit durch die DFG
gefördert. Beispielhafte Publikationen
Förster M, Gack C, Peschke K (1998) Morphology and function
of the spermatophore in the rove beetle, Aleochara curtula (Coleoptera:
Staphylinidae). Zoology 101:34-44
Benken T, Knaak A, Gack C, Eberle M, Peschke K (1999) Variation
of sperm precendence in the rove beetle Aleochara curtula (Coleoptera:
Staphylinidae). Behaviour 136:1065-1077
Werner M, Zissler D, Peschke K (1999) Structure and energy pathways
of spermatozoa of the rove beetle Aleochara bilineata (Coleoptera,
Staphylinidae). Tissue Cell 31:413-420
Beispielhafte Examensarbeiten
Böhminghaus A (laufend)
Tscheulin T (2000) Untersuchungen zur Motilität der Spermien
von Aleochara curtula. Staatsexamensarbeit, Albert-Ludwigs-Universität,
Freiburg
4) Systematik und phylogenetische Rekonstruktion von Merkmalsevolution
Die vergleichenden Arbeiten an Aleochara-Arten zur Evolution der
parasitoiden Lebensweise der Larven, zur Chemie von Pheromonen und
Wehrsekreten, Verhaltensstrategien und Bau und Funktion der Genitalorgane
und Spermien erforderte die Erstellung eines robusten Stammbaumes
der Gattung. Da dieser aus morphologischen Daten der merkmalsarmen
Imagines nicht zu ermitteln, wurde in enger Kooperation mit Frau
PD Dr. S. Dobler in der Abteilung ein molekularsystematischer Stammbaum
erstellt, auf grund dessen die Evolution vieler Merkmale verständlich
wurde. Einen ähnlichen Ansatz wollen wir an den wüstenlebenden
Schwarzkäfern verfolgen, deren phylogenetische Beziehungen unklar
sind und für die wir die Evolution des Brutparasitismus und
der chemischen Ausbeutung ermitteln wollen.
Frau Dobler führt in der Abteilung ein eigenes Labor mit Standardmethoden
der Molekularsystematik (PCR, Sequenzierung, mathematische Analyse
von Stammbäumen). Daneben fördern wir auch klassische Systematik
und Taxonomie, da dies Voraussetzung für die phylogenetischen
Analysen ist und bei den von uns untersuchten Käfergruppen nur
unzureichende Kenntnisse vorliegen. Beispielhafte Publikationen
Maus C, Peschke K, Dobler S (2001) Phylogeny of the genus Aleochara
inferred from mitochondrial cytochrome oxidase sequences (Coleoptera:
Staphylinidae). Mol Phylogenet Evol 18:202-216 Beispielhafte Examensarbeiten
Maus C (2001) The phylogeny of the genus Aleochara GRAVENHORST,
1802 (Coleoptera: Staphylinidae). Dissertation, Albert-Ludwigs-Universität,
Freiburg
Knaak A (1996) Spermienkonkurrenz und Fortpflanzungserfolg bei
Mehrfachkopulationen von Aleochara curtula (Coleoptera: Staphylinidae).
Wissenschaftliche
Arbeit zur wissenschaftlichen Prüfung für das Lehramt an
Gymnasien, Albert-Ludwigs-Universität, Freiburg |
