Bern: Maispflanzen warnen Nachbarn – diese reagieren schneller
Forschende der Universität Bern zeigen, dass unverletzte Maispflanzen Abwehrstoffe früher abgeben als ihre verletzten Nachbarn. Auslöser sind Blattduftstoffe.
Wenn Pflanzen verletzt werden, beginnen unverletzte Nachbarpflanzen damit, Abwehrstoffe abzugeben. Dies sogar früher als die verletzte Pflanze selbst. Eine Studie der Universität Bern zeigt, dass diese überraschend schnelle Reaktion durch rasch übertragene sogenannte grüne Blattduftstoffe der angegriffenen Pflanze ausgelöst werden. Diese Erkenntnis könnte langfristig dabei helfen, die natürlichen Abwehrkräfte von Kulturpflanzen durch Duftstoffe gezielt zu aktivieren.
Pflanzen nehmen Duftstoffe ihrer angegriffenen Nachbarn wahr und antworten darauf, indem sie ihre eigene Abwehr aktivieren. Unklar war jedoch bisher, wie schnell diese Reaktionen im direkten Vergleich zur Abwehrreaktion der angegriffenen Pflanze ablaufen und welche spezifischen Duftstoffe dafür verantwortlich sind.
Forschende am Institut für Pflanzenwissenschaften der Universität Bern zeigen nun erstmals, dass unverletzte Maispflanzen bestimmte Abwehrstoffe sogar früher abgeben als ihre verletzten Nachbarn. Auf den ersten Blick wirkt das fast wie Telepathie. Wie kann eine Nachbarpflanze schneller auf einen Angriff reagieren als die angegriffene Pflanze selbst? Die Lösung dieses Rätsels findet sich in der Identität der zwischen den Pflanzen übertragenen Duftstoffe.
Simulierter Raupenfrass provoziert Abwehrreaktion
Für ihre Experimente verbanden die Forschenden jeweils zwei Maispflanzen über einen kontrollierten Luftstrom. An einer Pflanze simulierten sie Raupenfrass durch kleine Blattverletzungen und das Auftragen von Raupensekreten. Die zweite Pflanze blieb unverletzt und erhielt über den Luftstrom die Duftstoffe der ersten. Ein automatisiertes Messsystem, das ein Massenspektrometer mit einer speziell entwickelten automatisierten Probenahme kombiniert, erfasste die Duftstoffabgabe alle 15 Minuten. Zusätzlich untersuchte das Team Abwehrhormone, Genaktivierung, Duftstoffmengen im Blatt und die Öffnung der sogenannten Spaltöffnungen der Pflanzen, über welche sie Duftstoffe aufnehmen und abgeben.
«Wir hatten erwartet, dass die unverletzten Nachbarn etwas später reagieren als die direkt angegriffene Pflanze, da sie erst die Duftstoffe der verletzten Pflanze erst aufnehmen und verarbeiten müssen», sagt Prof. Dr. Matthias Erb vom Institut für Pflanzenwissenschaften der Universität Bern. «Dass sie viele Abwehrstoffe schneller abgaben als die angegriffene Pflanze selbst, erschien zunächst widersprüchlich.»
Der Geruch frisch geschnittenen Grases als Warnsignal
Schlussendlich kamen die Forschenden der Lösung auf die Spur. Entscheidend dafür waren Experimente mit Maispflanzen, die genetisch so verändert wurden, dass ihnen bestimmte Duftstoffe fehlten. «Unsere Forschung mit diesen Pflanzen zeigte, dass sogenannte grüne Blattduftstoffe für die schnelle Abwehrreaktion der Nachbarn nötig sind», erklärt Dr. Tristan Cofer, Erstautor der Studie. Diese grünen Blattduftstoffe werden von verletzten Pflanzen innerhalb von Sekunden bis Minuten aus den Wundstellen freigesetzt, lange bevor andere Abwehrstoffe produziert und abgegeben werden, und sind unter anderem für den Geruch von geschnittenem Gras verantwortlich.
Nachbarpflanzen nehmen grüne Blattduftstoffe als sehr frühes chemisches Warnzeichen wahr und beginnen daraufhin, Abwehrduftstoffe zu produzieren und abzugeben. Fehlen diese grünen Blattduftstoffe aber – wie bei den genetisch veränderten Maispflanzen – bleibt die Abwehrreaktion der Nachbarn aus. Der Nachweis, dass diese ihre Abwehrstoffe selbst neu herstellen und dann noch schneller aussenden als die verletzten Pflanzen, gelang durch die Markierung von einem dieser Abwehrstoffe mit schwerem Kohlenstoff.
Spaltöffnungen könnten den Vorsprung erklären
Überraschend war auch, dass die unverletzten Nachbarn ihre Abwehrstoffe zwar schneller freisetzen, die Produktion dieser Stoffe und der zugehörigen Abwehrhormone im Blatt aber nicht auch früher aktiviert wird. «Der Unterschied scheint vor allem bei der Freisetzung der Abwehrstoffe zu liegen», sagt Cofer. Verletzte Blätter schliessen rasch ihre Spaltöffnungen, vermutlich um Wasserverlust zu begrenzen. Die unverletzten Nachbarn halten diese winzigen Öffnungen auf der Blattoberfläche aber zunächst offen und können ihre Abwehrstoffe möglicherweise deshalb früher abgeben. Ein direkter Nachweis der ursächlichen Rolle der Spaltöffnungen steht allerdings noch aus. Es könnte auch sein, dass die Nachbarn ihre Abwehrstoffe schneller aus den Zellen hinaustransportieren.
Unverletzte Nachbarpflanzen werden somit früh zu zusätzlichen Quellen von Abwehrstoffen. «Wir möchten verstehen, ob unverletzte Nachbarn die Abwehr der angegriffenen Pflanze verstärken und ob ihre Abwehrstoffe Nützlingen helfen, Schädlinge zu finden», sagt Erb. So locken befallene Pflanzen mit Duftstoffen natürliche Feinde der Schädlinge an. Wenn nun unverletzte Nachbarpflanzen das Duftstoffsignal der befallenen Pflanze verstärken, könnten Nützlinge von weiter weg hergelockt werden, und über die unverletzte «Wegweiserpflanze» dann die befallene Pflanze finden.
Langfristig könnte das Wissen über diese verschiedenen, aufeinanderfolgenden Prozesse helfen, die natürlichen Abwehrkräfte von Kulturpflanzen gezielter zu aktivieren und den Pestizideinsatz zu verringern. Ob der beobachtete zeitliche Vorsprung der Freisetzung von Abwehrstoffen im Feld tatsächlich eine Rolle spielt, müssen die Forschenden noch weiter untersuchen.
Die Studie wurde vom Schweizerischen Nationalfonds, vom Staatssekretariat für Bildung, Forschung und Innovation SBFI im Rahmen der Ersatzfinanzierung für einen ERC Consolidator Grant sowie von der Universität Bern unterstützt.
