Dr. Frank Burghardt: Stoffwechsel und ökologische Funktion von Flavonoiden im Bläuling Polyommatus icarus (Lepidoptera: Lycaenidae) (2000)

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Zusammenfassung

1. Stoffwechsel und ökologische Bedeutung von Flavonoiden im mäßig polyphagen, als Raupe auf verschiedensten Fabaceen lebenden Bläuling Polyommatus icarus wurden experimentell untersucht. Dazu wurden Raupen unter standardisierten Bedingungen auf 5 natürlichen und 5 nur im Experiment akzeptierten Pflanzen sowie 2 Kunstfuttermedien (mit und ohne Quercetin) aufgezogen. Die resultierenden Falter wurden mittels HPLC-Analyse methanolischer Extrakte individuell auf ihre Flavonoidmuster hin untersucht.

2. Parallel wurde die Flavonoidausstattung einiger der eingesetzten Fraßpflanzen untersucht. Aus Blüten von Lotus corniculatus, Trifolium pratense, Melilotus officinalis und Vicia villosa konnten mittels Säulenchromatographie, semi-präparativer-HPLC, MS und NMR 17 Flavonoide isoliert und identifiziert werden (5 Quercetin-, 4 Kämpferol-, 2 Myricetin-, 2 Gossypetinderivate und 4 Isoflavonoide). Die Reinsubstanzen wurden für den Online-UV-Spektrenvergleich in die Spektrenbibliothek der HPLC eingefügt.

3. Das Flavonoidmuster war bei den Faltern von P. icarus über ein breites Spektrum natürlicher Wirtspflanzen sehr variabel. Über alle Wirtspflanzen hinweg zeigten die Tiere nur sehr begrenzt artcharakteristische Eigenschaften. Hauptsächlich wurden einfach bis mehrfach glykosidierte Quercetin- und Kämpferolderivate aus den Blüten der untersuchten Fabaceenarten von P. icarus sequestriert. Sehr polare bzw. unpolare Flavonoide sowie Flavone und Isoflavonoide wurden mit dem Kot ausgeschieden. Aglykone wurden zumeist galactosidiert.

4. 4.) Die Weibchen von P. icarus haben fast immer einen höheren Flavonoidgehalt wie auch eine höhere Flavonoidkonzentration als die Männchen. Geringe Flavonoidkonzentration in der Nahrung war nicht gleichbedeutend mit geringer Flavonoidkonzentration in den resultierenden Faltern. So hatten die Falter auf Lotus-corniculatus-Blüten und Medicago-sativa-Blüten annähernd gleiche Flavonoidkonzentrationen aufzuweisen. Die Blüten von Medicago sativa wiesen jedoch eine um das fünffach geringere Flavonoidkonzentration auf. Die große Variabilität im Flavonoidgehalt zwischen den Geschlechtern der Tiere deutet auf eine Funktion in der intersexuellen Beziehung der Adulten hin.

5. Die Raupen von Polyommatus icarus waren in der Lage, auch aus natürlicherweise nicht genutzten Fraßpflanzen (Blüten von Vicia villosa und Robinia pseudoacacia sowie Blätter von Trifolium repens, Medicago sativa und Robinia pseudoacacia) Flavonoide zu sequestrieren. Hierbei erreichten die Falter jedoch weniger als die Hälfte der Flavonoidkonzentration der Falter auf natürlich genutzten Wirtspflanzen.

6. Die Blattnahrung von Robinia pseudoacacia, Trifolium repens und Medicago sativa stellte Polyommatus icarus bei der Aufnahme und Metabolisierung von Flavonoide vor große Probleme. Obwohl die Blätter von Medicago sativa ähnlich hohe Konzentrationen an Flavonoiden hatte wie deren Blüten, konnten nur Spuren dieser Sekundärstoffe in den resultierenden Faltern detektiert werden. Bei Raupen auf Trifolium-repens-Blättern konnte erstmals eine absolute Anreicherung von Flavonoiden in P. icarus registriert werden. Die Flavonoidkonzentration der Falter war hier höher als die der Blätter. Das Kunstfutter erwies sich für die Raupen als akzeptable Nahrung mit guten Entwicklungsmöglichkeiten.

7. Der absolute Flavonoidgehalt der Falter – im Gegensatz zur Flavonoidkonzentration – war eng und positiv mit dem Trockengewicht und der Vorderflügellänge von P. icarus korreliert. Dieser Zusammenhang trat bei Aufzucht auf nicht natürlichen Fraßpflanzen oder Kunstfutter stärker hervor als auf natürlicher Blütennahrung.

8. Es finden Metabolisierungen in den Tieren statt, und zwar im wesentlichen durch verschiedenste Glykosidierungen. So wird Quercetin vorrangig zu Quercetin-3-O-galactosid metabolisiert. Generell dominieren bei P. icarus Glykosidierungen des Flavangerüstes in 3-O-Position. Mit Rhamnosiden einfach glykosidierte Flavonoide scheinen schlechter resorbierbar zu sein und werden kaum weiter metabolisiert.

9. HPLC-Analysen von im Freiland gefangenen Männchen von P. icarus belegen eine Abnahme der Flavonoidkonzentration mit dem mechanischen Abnutzungsgrad der Flügel. Stark abgeflogene Tiere sind nahezu flavonoidfrei. Es zeigte sich, dass die Flavonoidkonzentrationen selbst bei frischen Faltern im Freiland relativ gering waren und die Flavonoidmuster sehr stark variierten.

10. Flavonoidreiche Weibchenattrappen wurden von P.-icarus-Männchen in Freiland-Wahlversuchen bei Sonnenschein, nicht aber bei bedecktem Himmel signifikant häufiger angeflogen als flavonoidfreie Attrappen. Flavonoide könnten demnach ein Fitness- und/oder Attraktivitätssignal bei der Partnerwahl von P. icarus darstellen.

Summary

1. In this study the role of flavonoids in the metabolism and ecology of the common blue butterfly Polyommatus icarus (Rottemburg) (Lepidoptera: Lycaenidae) was examined. Caterpillars of P. icarus normally feed on inflorescences of various Fabaceae. Caterpillars were reared throughout their entire development on 5 naturally used hostplants (inflorescences of Lotus corniculatus, Medicago sativa, Melilotus officinalis, Trifolium repens, Trifolium pratense), and on 5 food sources which are not known to be used in the field (flowers of Robinia pseudoacacia, Vicia villosa, leaves of Med. sativa, R. pseudoacacia and T. repens). Additionally, the animals were raised with defined mixtures of an artificial diet which differed only in respect to its quercetin contents (2,5 % of the dry mixtures for the experimental group versus no additive for control group).

2. Individual extracts from larvae, faeces, imagines and the diet were analyzed by HPLC. Seventeen compounds out of 4 food plants (L. corniculatus, T. pratense, Mel officinalis, V. villosa) were identified by MS and NMR. Their UV-spectra were incorporated in the UV-spectralibrary to compare the animals, faeces and diet. Five quercetin-, 4 kaempferol-, 2 myricetin-, 2 gossypetin-derivatives and 4 isoflavonoids from the foodplants could be identified.

3. The results demonstrate the highly variable qualitative and quantitative patterns of flavonoid accumulation in the butterfly P. icarus. The main sequestered flavonoids of P. icarus were quercetin- and kaempferol-derivatives. Aglycones (kaempferol, quercetin) were always glycosylated or excreted with faeces. Very polar flavonoids, such as gossypetin-3-O-galactoside were excreted with faeces, too.

4. Female butterflies typically sequestered more flavonoids (µg/individual; µg/mg dry weight) than males, but the magnitude of this difference varied with diet. Low flavonoid concentration in the diet was not equivalent with low concentration in the butterfly. For example, L. corniculatus flowers achieve five times higher flavonoid concentration than Med. sativa flowers, but the resulting butterflies have similar flavonoid concentrations. The highly variable flavonoid content and concentration could suggest a role in intersexual relationships.

5. Caterpillars of P. icarus were also able to sequester flavonoids from plants not used in the natural environment (inflorescences of R. pseudoacacia, V. villosa and leaves of T. repens, Med. sativa and R. pseudoacacia), but accepted under laboratory condition. On such food they achieved less than half of the flavonoid concentration as compared to naturally used plants.

6. The caterpillars sequester only limited amounts of flavonoids from the leaves of T. repens, Med. sativa and R. pseudoacacia. For example, the leaves and inflorescences of Med. sativa have approximately the same flavonoid concentration, but contain different flavonoid compounds. On leaves of T. repens the caterpillars were able to absolutely increase their favonoid concentration as compared to their food plant.

7. Absolut flavonoid content was positively correlated with the dry weight and forewing length of the butterflies, while flavonoid concentration rather correlated negatively with butterfly size (significant only on natural host plants).

8. Flavonids are metabolized by the larvae and stored mainly as glycosides. For example, quercetin was metabolized to quercetin-3-O-galactoside. The glycosilation of flavonoids by P. icarus mainly takes place in the 3-O-position of the flavonoid molecule. Simple rhamnoside-glycosilated flavonoids seem to be less easy to be sequestered by P. icarus.

9. The more the wings of P. icarus wear out the more the flavonoids disappeared. Very old butterflies were nearly flavonoid-free. Fresh field-caught butterflies have only small amounts of flavonoids and these wild butterflies have very variable flavonoid patterns.

10. Experiments with female dummies conducted in the field show that flavonoid-rich female dummies (reared on flowers of Med. sativa) under bright sunshine are significantly more attractive to free-flying male butterflies than flavonoid-free female dummies (mainly reared on foliage of Med. sativa). This effect no longer occurred at overcast weather. There is now good evidence towards a role of sequestered flavonoids in intraspecific visual communication.