Insektenfressende Pflanzen faszinieren Biologen seit mehr als einem Jahrhundert, aber wie Pflanzen die Fähigkeit entwickelt haben, lebende Beute zu fangen und zu verzehren, ist weitgehend ein Rätsel geblieben. Jetzt haben Salk-Wissenschaftler zusammen mit Mitarbeitern der Washington University in St. Louis die molekularen Grundlagen des pflanzlichen Fleischfressers untersucht und Beweise dafür gefunden, dass er sich aus Mechanismen entwickelt hat, die Pflanzen zur Selbstverteidigung nutzen.
Die Studie, veröffentlicht am 11. Juli 2022, in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), beschreibt, wie sich Kalziummoleküle dynamisch in Zellen in den Blättern fleischfressender Pflanzen als Reaktion auf Berührungen durch lebende Beute bewegen. Kalziumschwankungen führen zu Blattbewegungen zum Beutefang, wahrscheinlich durch eine Erhöhung der Produktion von Abwehrhormonen. Die Ergebnisse erweitern das Verständnis der Wissenschaftler darüber, wie Pflanzen mit ihrer Umgebung interagieren.
„Wenn wir mehr darüber erfahren können, wie sich Pflanzen wie diese und andere angepasst haben, um auf ihre einzigartige Umgebung zu reagieren, können wir diese molekularen Wege vielleicht in Zukunft ändern, um Pflanzen zu entwickeln, die unter härteren Bedingungen überleben können“, sagt Co-Senior-Autor Professor Joanne Chory, Direktorin von Salk’s Plant Molecular and Cellular Biology Laboratory und Forscherin am Howard Hughes Medical Institute.
Salk-Wissenschaftler haben zusammen mit Mitarbeitern der Washington University in St. Louis die molekularen Grundlagen des pflanzlichen Fleischfressers untersucht und Beweise dafür gefunden, dass er sich aus Mechanismen entwickelt hat, die Pflanzen zur Selbstverteidigung nutzen. Bildnachweis: Salk Institute
Biologen haben herausgefunden, dass Pflanzen wie der Löffelblättrige Sonnentau (Drosera spatulata) wahrscheinlich Fleischfresser angepasst haben, um unter nährstoffarmen Bedingungen zu überleben. Sonnentau ist jedoch schwierig zu züchten und seine DNA wurde bis vor kurzem nicht sequenziert, sodass Wissenschaftler Schwierigkeiten hatten, zu untersuchen, wie Fleischfresser auf zellulärer Ebene funktionieren. Sie waren sich auch nicht sicher, wie fleischfressende Pflanzen mit dem Beutefang verbundene Verhaltensweisen wie Blattbewegungen und die Sekretion von Verdauungsenzymen entwickelten.
„Fleischfressende Sonnentau-Pflanzen sind keine Modellorganismen“, sagt Carl Procko, Co-Erstautor der Veröffentlichung und wissenschaftlicher Mitarbeiter in Salks Plant Molecular and Cellular Biology Laboratory. „Weniger als eine Handvoll Labore auf der Welt waren bisher in der Lage, sie genetisch zu verändern, also mussten wir neue Techniken erlernen, um sie genau zu untersuchen.“
Für diese Studie wandten die Wissenschaftler genetische Werkzeuge an, um die dynamischen Veränderungen von Kalziummolekülen in den Blättern abzubilden, wenn Insektenbeute auf dem Blatt landete und dort von klebrigen Sekreten eingefangen wurde. In nicht fleischfressenden Pflanzen spielt die Kalziumsignalisierung viele lebenswichtige, lebenserhaltende Rollen, wie z. B. das Auslösen des Jasmonsäure-Abwehrwegs, um unerwünschte Schadinsekten abzuwehren. Jasmonsäure reagiert auch auf elektrische Aktivität, die bei einigen fleischfressenden Pflanzen, einschließlich Sonnentau, ein kritisches Element beim Beutefang ist. Die Wissenschaftler wollten wissen, ob derselbe Abwehrweg nicht-fleischfressender Pflanzen möglicherweise auch für das fleischfressende Verhalten des Sonnentaues erforderlich ist.
Das Team fand heraus, dass Veränderungen des Kalziums in der Pflanzenzelle für die Aktivierung von Genen erforderlich waren, die typischerweise von Jasmonsäure angegriffen werden, wenn sich das Blatt nach innen biegt und das Insekt in den Verdauungssäften einschließt. Die Forscher beobachteten außerdem, dass Sonnentaublätter sich weniger bogen, wenn ihnen nicht lebende Beute verabreicht wurde und wenn ihre Kalziumkanäle blockiert waren. Diese Ergebnisse demonstrieren, dass Kalzium die Reaktion von Insekten auf Beutefang unterstützt, und stützen zusammen mit der Arbeit anderer die Idee, dass Jasmonsäure an der Insektenverdauung beteiligt ist.
„Es war faszinierend zu sehen, wie diese Pflanzen auf beuteassoziierte mechanische Reize wie Berührungen reagieren“, sagt Ivan Radin, Co-Erstautor und Forschungswissenschaftler an der Washington University in St. Louis. „Die Fähigkeit, mechanische Kräfte zu spüren und darauf zu reagieren, ist etwas, das die meisten Menschen nicht mit Pflanzen in Verbindung bringen, insbesondere in dieser schnellen Zeitskala. Unsere Arbeit bietet ein schönes Bild dieser Tatsache.“
„Die Ergebnisse zeigen, dass auch Kalzium beteiligt ist und wahrscheinlich die Jasmonsäure-Reaktionen verstärkt, ähnlich wie nicht-fleischfressende Pflanzen abwehrend auf mechanische Reize durch Schädlinge reagieren“, sagt Chory, Inhaber des Lehrstuhls für Pflanzen von Howard H. und Maryam R. Newman Biologie. „Dies verleiht der Vorstellung, dass Fleischfresser in Sonnentau ein entwickelter Abwehrweg sein könnten, weitere Glaubwürdigkeit.“
Als nächstes werden die Forscher ähnliche genetische Techniken anwenden, um andere fleischfressende Pflanzen zu untersuchen, die zuvor zu schwierig zu untersuchen waren. Sie hoffen, die molekulare Grundlage von Beutefangmechanismen weiter untersuchen zu können, um besser zu verstehen, wie sich Fleischfresser in entfernt verwandten Arten entwickelt haben, und um zu sehen, ob Nutzpflanzen von der Anpassung ihrer bestehenden Umwelt- und Insektenreaktionswege profitieren könnten, um in schwierigen Umgebungen zu überleben.
Andere Autoren waren Charlotte Hou von Salk; sowie Ryan Richardson und Elizabeth Haswell von der Washington University in St. Louis.
Dynamische Calciumsignale vermitteln die Fressreaktion der fleischfressenden Sonnentaupflanze, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas