Auf Video festgehaltene Fluoreszenzausbrüche zeigen, wie und warum die empfindliche Pflanze Mimosa Pudica ihre Blätter schnell bewegt

Pflanzen besitzen keine Nerven und Muskeln, die bei Tieren schnelle Bewegungen ermöglichen. Allerdings bewegt Mimosa pudica, die gemeinhin als Rühr-mich-nicht, Scham- oder sensible Pflanze bezeichnet wird, ihre Blätter, indem sie das motorische Organ „Pulvinus“ sofort als Reaktion auf Berührungen und Wunden biegt. Seit der Ära von Charles Darwin wurde diese spektakuläre Blattbewegung untersucht. Die Fernsignalmoleküle, die die schnellen Blattbewegungen auslösen, und die physiologische Rolle dieser Bewegung bleiben jedoch unerforscht.

Das Team unter der Leitung von Professor Masatsugu Toyota (Saitama University, Japan) enthüllte, welche Signale bei Mimosa Pudica lange Strecken zurücklegen und schnelle Bewegungen auslösen und warum Mimosa Pudica ihre Blätter sofort bewegt.

Die Forschung wird am 14. November in veröffentlicht Naturkommunikation. Takuma Hagihara leitete die Arbeit als Ph.D. Student in Toyotas Labor und arbeitete mit Forschern aus Hasebes Labor am National Institute for Basic Biology, Japan, zusammen.

„Um die Fernsignale und physiologischen Funktionen der schnellen Blattbewegungen zu klären, haben wir transgene ‚fluoreszierende‘ und ‚unbewegliche‘ Mimosa pudica geschaffen“, sagt Toyota. Die Videos zeigen, dass sich Fluoreszenzausbrüche schnell durch die Blätter ausbreiten und Blattbewegungen auslösen. Das Fluoreszenzlicht verfolgt das zytosolische Kalzium in Echtzeit.

„Mimosa Pudica schließt ihre Blätter nur 0,1 Sekunden nach dem Eintreffen der Ca2+-Signale im Motororgan Pulvini“, fügt Toyota hinzu.

Frühere Studien haben gezeigt, dass elektrische Signale wie ein Aktionspotential für die schnellen Blattbewegungen in Mimosa Pudica entscheidend sind.

„Wir haben ein simultanes Aufzeichnungssystem für das zytosolische Ca2+ und elektrische Signale entwickelt, um die räumlich-zeitliche Beziehung zwischen diesen Signalen aufzudecken“, sagt Toyota. Beim Verwunden des Blattes breiteten sich das Ca2+ und die elektrischen Signale systemisch mit ähnlichen Geschwindigkeiten aus und passierten die Aufnahmestelle zu einer ähnlichen Zeit. Daher wurden in Mimosa pudica die Fern-Ca2+- und elektrischen Signale räumlich-zeitlich gekoppelt.

Die Vorbehandlung von Mimosa Pudica-Blättern mit den Ca2+-Kanal-Inhibitoren La3+ und Verapamil und dem Ca2+-Chelatbildner EGTA blockierte sowohl Ca2+-/elektrische Signale als auch die Blattbewegungen als Reaktion auf die Wunde. Diese Daten unterstützen die Idee, dass Ca2+ als Fernsignalmolekül wirkt, das schnelle Blattbewegungen in Mimosa Pudica auslöst.

„Mimosa Pudica ist aufgrund ihrer spektakulären Bewegungen eine der berühmtesten Pflanzen“, sagt Toyota. „Obwohl es viele Hypothesen zu den physiologischen Funktionen der schnellen Blattbewegungen gibt, ist wissenschaftlich nicht geklärt, warum Mimosa Pudica ihre Blätter bewegt.“

Unter Verwendung der CRISPR/Cas9-Genombearbeitungstechnik schuf das Wissenschaftlerteam von Toyota eine „unbewegliche“ elp1b-Mutante, der die motorischen Organpulvini fehlten. Sie verglichen die bewegliche Mimosa pudica vom Wildtyp mit der genetisch und pharmakologisch unbeweglichen Mimosa pudica und entdeckten, dass pflanzenfressende Insekten wie Heuschrecken diese unbeweglichen Blätter mehr verzehrten als die Blätter des Wildtyps.

Sie visualisierten auch die Ca2+-Signale, die Blattbewegungen und das Verhalten einer Heuschrecke auf dem Blatt unter einem Mikroskop. Bei der Nahrungsaufnahme durch die Heuschrecke bewegten sich die Blättchen nacheinander parallel zur Ausbreitung der Ca2+-Signale, und danach stoppte die Heuschrecke die Nahrungsaufnahme und entfernte sich.

„Wir haben endlich Beweise dafür erhalten, dass schnelle Bewegungen, die auf der Ausbreitung von Ca2+ und elektrischen Signalen basieren, Mimosa Pudica vor Insektenangriffen schützen“, sagt Toyota. „Pflanzen besitzen verschiedene Kommunikationssysteme, die normalerweise nicht sichtbar sind; sehen heißt glauben“, fügt er hinzu.