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Wie bringen Insekten Pflanzen zur Gallenbildung?

Forscher identifizieren erste gallenauslösende Gene und Proteine einer Blattlaus

Gallen
Diese zapfenartigen Wucherungen wurden von Blattläusen verursacht. Wie sie die Pflanze dazu bringen, diese Gallen zu bilden, haben Forscher nun begonnen aufzuklären. © David Stern

Insekten greifen ein: Manche Insekten können das Wachstum von Pflanzen so verändern, dass sich an den Pflanzen Geschwülste, sogenannte Gallen, bilden, die die Tiere als Zufluchtsorte nutzen. Wie die Gliederfüßer das schaffen, haben nun erstmals Genomanalysen von Blattläusen nahegelegt. Demnach besitzen die Gallenbildner sogenannte BICYCLE-Gene, die dafür sorgen, dass der Pflanze beim Läusebiss Proteine injiziert werden, die das Gallenwachstum verursachen.

Pflanzengallen gelten als Geschwülste an Pflanzenteilen wie etwa an den Blättern, die durch fremde Organismen verursacht werden. Dafür verletzen manche Arten von Blattläusen, Fliegen, Wespen sowie bestimmte Pilze die Pflanzen und manipulieren das Pflanzenwachstum, sodass sich Kugeln, Ausstülpungen oder lange Stacheln auf den Gewächsen bilden. Manche Gallen ähneln sogar bunten Blumen. In diesen wachsen und ernähren sich dann zum Beispiel die Insektenlarven.

Blattläuse
Blattläuse der Art Hormaphis cornu saugen an Zaubernuss-Blättern und lösen bei ihnen Gallenbildung aus.© Burke et al. /PNAS

Wie manipulieren Gallbildner die Pflanzen?

Wie genau die Insekten und Pilze die Pflanzen zur Gallenbildung bringen, war bisher nicht vollständig geklärt. Das haben nun Forscher um Aishwarya Korgaonkar vom Howard Hughes Medical Institute in Virginia untersucht. „Wie übernimmt ein Lebewesen aus einem Reich die Kontrolle über das Genom eines Organismus aus einem anderen Reich, um dessen Entwicklung umzugestalten und sich selbst ein Zuhause zu schaffen?“, so die Frage der Wissenschaftler.

Um das zu klären, untersuchten sie eine Blattlausart (Hormaphis cornu), die als Gallenbildner von Zaubernussgewächsen (Hamamelis) bekannt ist. Die Läuse beißen dafür im Frühling in die Unterseite der Pflanzenblätter und injizieren ihren Speichel. Dadurch wachsen auf der Oberseite zapfenförmige Gallen. Im Sommer leben die Insekten dieser Spezies hingegen üblicherweise auf Flussbirken (Betula nigra) und bilden dort keine Gallen.

Die Forscher sammelten Gallenbildner und nicht gallbildende Exemplare ein und sezierten deren winzigen Speicheldrüsen. Daraus isolierten sie das Erbgut und identifizierten die Genen, die nur bei den Gallenbildnern aktiviert waren.

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Proteine im Speichel als Verursacher

Es zeigte sich: In den Speicheldrüsen der gallenbildenden Blattläuse sind einige hundert Gene aktiv, die bei ihren Artgenossen ohne gallenbildende Wirkung ruhen. Das spricht dafür, dass diese Gengruppe die Entwicklung der Wucherungen auslöst und steuert. Diese bisher unbekannten Gene haben Korgaonkar und ihre Kollegen BICYCLE-Gene getauft.

Diese Gene werden offenbar aktiviert, wenn die Blattläuse im Frühjahr ihren für Gallen geeigneten Wirt besiedeln. Durch die Genaktivierung werden die BICYCLE-Proteine hergestellt, die reich an der Aminosäure Cystein sind, wie die Forscher erklären. Diese Proteine injizieren die Blattläuse dann mit dem Speichel in die Pflanzenzellen, wo sie das Blattgewebe der Zaubernusspflanzen so umprogrammieren, dass es statt der normalen Pflanzenteile eine Galle bildet, erklärt Korgaonkar.

Bestimmtes Gen regelt Gallenfarbe

Interessant jedoch: Manche der gallenbildenden Läuse sorgten dafür, dass sich grüne Geschwülste auf den Pflanzen bildeten und andere, dass rote entstanden. Um diesen unterschiedlichen Phänotypen auf die Spur zu kommen, verglichen die Wissenschaftler das Genom der verschiedenen Blattläuse.

Das Ergebnis: Tatsächlich fanden die Forscher ein Gen der BICYCLE-Gene, das sich zwischen den beiden Blattlausvarianten unterschied und offenbar der Bestimmungsfaktor der Gallenfarbe ist. Korgaonkar und ihr Team folgern daraus, dass durch die Genvariation dieses BICYCLE-Gens unterschiedliche Proteine in die Pflanze gelangen und dort die pflanzliche Genexpression verändern, sodass das Gewächs verschiedene Farbstoffe beim Wachstum der Gallen produziert.

Weitere Forschung nötig

Die neuen Erkenntnisse sind laut der Forscher ein wichtiger Fortschritt für die Erforschung der Gallen. „Nachdem wir uns jahrelang gefragt haben, was da vor sich geht, ist es sehr befriedigend, etwas vorzuweisen zu haben“, sagt Korgaonkars Kollege David Stern. „Wir vermuten, dass das Produkt jedes BICYCLE-Gens seine eigenen Ziele in der Pflanze hat und dass die kombinierte Wirkung aller BICYCLE-Genprodukte viele Aspekte der Gallenentwicklung reguliert.“.

Das Team arbeitet nun daran, die Pflanzenmoleküle zu identifizieren, die von den BICYCLE-Proteinen der Blattläuse angegriffen werden, berichtet Korgaonkar. Das soll künftig erklären, wie genau die BICYCLE-Proteine die Gallenbildung in den Pflanzen auslösen. (Current Biology, 2021, doi: 10.1016/j.cub.2021.01.104)

Quelle: Howard Hughes Medical Institute

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