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Biochemischer Signalweg für chemische Verteidigung aufgeklärt

Hormone als Schlüsselelemente

Werden Pflanzen angefressen, können sie innerhalb von wenigen Stunden oder Tagen ihren Vorrat an chemischen „Waffen“ in den Blättern oder Stängeln um ein Vielfaches erhöhen. Auch Pflanzen, die nicht ständig über ein Arsenal an Abwehrstoffen verfügen, stellen bei Bedarf schnell auf Verteidigung um. Dies wissen Forscher schon seit einiger Zeit. Mittlerweile haben sie jedoch auch die wichtigsten Stationen des biochemischen Signalwegs aufgeklärt, der zur Produktion von Giftstoffen, Düften oder Zuckerüberzügen führt:

Beispiel Blattnektar der Ameisenpflanzen

Auslöser der Blattnektarproduktion der Ameisenpflanzen als Reaktion auf Fraßschäden sind bestimmte Substanzen im Speichel der Pflanzenfresser. Welche Wirkstoffe dabei die entscheidende Rolle spielen, wird zurzeit noch erforscht.

Fliege auf einem Blatt von Macaranga tanarius © MPI für Chemische Ökologie

Die Pflanze antwortet auf die Speichelreize mit der Produktion von Jasmonsäure, einem bekannten pflanzlichen Botenstoff. Dieser gibt dann die Meldung „Vorsicht Feind frisst“ an die Zielorgane für die Zuckerproduktion – beispielsweise die Wurzel – weiter. Dort werden die grundlegenden Substanzen für die Blattnektare hergestellt und dann über die Leitungsbahnen der Pflanze an die Blätter „verschickt“.

Dieser Signalweg funktioniert in der Regel einwandfrei und benötigt keine lange Anlaufzeit. Bei Freilandstudien in West-Malaysia konnten Wissenschaftler bereits eine halbe Stunde nach Schädigung der Ameisenpflanzen einen rapiden Anstieg der Jasmonsäure-Konzentration in den Blättern nachweisen. Nur wenig später lief auch die Produktion von Nektar bereits auf Hochtouren. Nach drei Stunden wimmelte es dann schon von Ameisen und Fliegen auf den Pflanzen, die „ihre“ Nektarien gegen die Fraßfeinde verteidigten.

„Insgesamt führte die Nektarproduktion zu einer dramatischen Erhöhung sowohl der Nektarkonsumenten als auch der verteidigenden Insekten, während umgekehrt die Anzahl der Fraßschädlinge deutlich abnahm“, so das für die Ameisenpflanzen erfreuliche Resümee der Wissenschaftler in ihrer Studie aus dem Jahr 2001.

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Die Forscher machten aber noch eine andere Entdeckung: Je größer der Schaden an den Blättern der Akazien war, desto mehr Jasmonsäure wurde von den Bäumen produziert. „Die Pflanzen sind also in der Lage, ihre Reaktion in abgestufter Form an die jeweiligen Erfordernisse anzupassen. Wenn wir die Biosynthese der Jasmonsäure durch den Einsatz entsprechender Stoffe hemmten, wurde nach Blattschädigung deutlich weniger Nektar produziert als in Kontrollpflanzen mit voll funktionsfähigem Jasmonsäure-Stoffwechsel. Das Pflanzenhormon Jasmonsäure entpuppt sich also als Schlüsselelement für die Regulation der Blattnektarproduktion“, sagt dazu Martin Heil vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena.

Gleiches System andere Protagonisten

Auch in vielen anderen Pflanzen spielt die Jasmonsäure eine entscheidende Rolle beim Aufbau eines chemischen Abwehrriegels gegen Pflanzenschädlinge. Beim wilden Tabak Nicotiana sylvestris löst der Botenstoff beispielsweise die Produktion des Nervengiftes Nikotin aus, wenn die Pflanzen angefressen werden.

Schwarzer Nachtschatten © MPI für Chemische Ökologie / Dominik D. Schmidt

Ein ähnliches System, aber mit anderen Protagonisten, scheint dagegen beispielsweise der Schwarze Nachtschatten zu nutzen. Auch dies haben Max-Planck-Wissenschaftler im Jahr 2004 entdeckt. Danach wird die Pflanze durch den Botenstoff Systemin bei Fraßschäden in einen Alarmzustand versetzt. Das Pflanzenhormon sorgt für die Ausschüttung bestimmter Hemmstoffe – so genannter Proteinase-Inhibitoren -, die die den Raupen der Pflanzenfresser die Lust aufs Weiterfressen verderben, weil sie die Verdauung der pflanzlichen Proteine erschweren.

Erste Versuche mit gentechnisch veränderten Nachtschatten-Pflanzen bestätigen diese Vermutungen. Nachdem die Ökologen die Gene für das Systemin und die Proteinase-Inhibitoren weitgehend ausschaltet hatten, waren die Genpflanzen jedenfalls nur noch „bedingt abwehrbereit“.

Trotz aller Forschungserfolge sind einige Fragen aber noch immer ungeklärt: Warum reagieren Pflanzen auch mit der Produktion von Botenstoffen wie Jasmonsäure, Giften oder Signalstoffen, wenn sie nicht angefressen, sondern durch Messerschnitte verletzt werden? Welche Gene sind im Einzelnen an der Synthese der Wirkstoffe beteiligt? Gibt es noch andere biochemische Signalwege im Pflanzenreich?

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Stand: 04.02.2005

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Chemische Keule und betörender Duft
Verteidigungsstrategien von Pflanzen

Überblick
Das Wichtigste in Kürze

Dornen, Gifte, Zucker, Lotus-Effekt
Die Waffen der Pflanzen

Gift oder Samen?
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