Echtzeit-Visualisierung der Pflanzen-Pflanzen-Kommunikation durch flüchtige Stoffe in der Luft

Pflanzen geben bei mechanischer Beschädigung oder Insektenbefall flüchtige organische Verbindungen (VOC) in die Atmosphäre ab. Unbeschädigte Nachbaranlagen erkennen die freigesetzten VOCs als Gefahrensignale, um Abwehrmaßnahmen gegen bevorstehende Bedrohungen einzuleiten. Dieses Phänomen der Luftkommunikation zwischen Pflanzen durch VOCs wurde erstmals 1983 dokumentiert und wurde seitdem bei mehr als 30 verschiedenen Pflanzenarten beobachtet. Die molekularen Mechanismen, die der VOC-Wahrnehmung und der Abwehrauslösung zugrunde liegen, bleiben jedoch unklar.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Masatsugu Toyota (Universität Saitama, Japan) visualisierte die Pflanzen-Pflanzen-Kommunikation über VOCs in Echtzeit und enthüllte, wie VOCs von Pflanzen aufgenommen werden und Ca2+-abhängige Abwehrreaktionen gegen zukünftige Bedrohungen auslösen.

Diese bahnbrechende Forschung wurde veröffentlicht in Naturkommunikation. Yuri Aratani und Takuya Uemura leiteten die Arbeit als Doktoranden. Student bzw. Postdoktorand im Toyota-Labor und arbeitete mit Professor Kenji Matsui an der Yamaguchi-Universität, Japan, zusammen.

„Wir haben eine Ausrüstung konstruiert, um VOCs, die von Pflanzen emittiert werden, die von Raupen gefüttert werden, auf unbeschädigte benachbarte Pflanzen zu pumpen, und sie mit einem Wildfeld-Echtzeit-Fluoreszenzbildgebungssystem kombiniert“, sagt Toyota.

Dieser innovative Aufbau visualisierte Fluoreszenzausbrüche, die sich in einer Senfpflanze (Arabidopsis thaliana) ausbreiteten, nachdem sie VOCs ausgesetzt wurde, die von den durch Insekten geschädigten Pflanzen abgegeben wurden. Die Pflanzen erzeugen fluoreszierende Proteinsensoren für intrazelluläres Ca2+ und daher können Änderungen der intrazellulären Ca2+-Konzentration durch Beobachtung von Fluoreszenzänderungen überwacht werden.

„Zusätzlich zu Insektenbefall lösten VOCs, die aus manuell zertrümmerten Blättern freigesetzt wurden, Ca2+-Signale in unbeschädigten Nachbarpflanzen aus“, sagt Toyota.

Um herauszufinden, welche Art von VOCs Ca2+-Signale in Pflanzen induziert, untersuchte Toyotas Wissenschaftlerteam verschiedene VOCs, von denen bekannt ist, dass sie Abwehrreaktionen in Pflanzen auslösen. Sie fanden heraus, dass zwei VOCs, (Z)-3-Hexenal (Z-3-HAL) und (E)-2-Hexenal (E-2-HAL), beide Aldehyde mit sechs Kohlenstoffatomen, Ca2+-Signale in Arabidopsis induzieren. Z-3-HAL und E-2-HAL sind in der Luft befindliche Chemikalien mit grasigem Geruch und werden als flüchtige Bestandteile grüner Blätter (Green Leaf Volatiles, GLV) bezeichnet, die von mechanisch und durch Pflanzenfresser geschädigten Pflanzen freigesetzt werden.

Die Exposition von Arabidopsis gegenüber Z-3-HAL und E-2-HAL führte zu einer Hochregulierung verteidigungsbezogener Gene. Um den Zusammenhang zwischen den Ca2+-Signalen und den Abwehrreaktionen zu verstehen, behandelten sie Arabidopsis mit dem Ca2+-Kanal-Inhibitor LaCl3 und dem Ca2+-Chelatbildner EGTA.

Diese Chemikalien unterdrückten sowohl die Ca2+-Signale als auch die Induktion verteidigungsbezogener Gene und lieferten damit den Beweis, dass Arabidopsis GLVs wahrnimmt und Abwehrreaktionen in Ca2+-abhängiger Weise aktiviert.

Schutzzellen: Das Tor zum Bewusstsein

Sie identifizierten auch, welche spezifischen Zellen die Ca2+-Signale als Reaktion auf GLVs zeigten, indem sie transgene Pflanzen manipulierten, die die fluoreszierenden Proteinsensoren ausschließlich in Schutz-, Mesophyll- oder Epidermiszellen exprimierten.

Bei Z-3-HAL-Exposition wurden Ca2+-Signale innerhalb von etwa 1 Minute in Schließzellen und dann in Mesophyllzellen erzeugt, wohingegen Epidermiszellen Ca2+-Signale langsamer erzeugten. Schließzellen sind bohnenförmige Zellen auf Pflanzenoberflächen und bilden Spaltöffnungen, kleine Poren, die innere Gewebe und die Atmosphäre verbinden.

„Pflanzen besitzen keine ‚Nase‘, aber Spaltöffnungen dienen als pflanzliches Tor, das den schnellen GLV-Eintritt in Zwischenräume im Blattgewebe vermittelt“, sagt Toyota.

Tatsächlich fand das Team heraus, dass eine Vorbehandlung mit Abscisinsäure (ABA), einem der Phytohormone, die für ihre Fähigkeit bekannt sind, Stomata zu schließen, die Ca2+-Reaktionen in Wildtyp-Blättern reduzierte. Andererseits behielten Mutanten mit beeinträchtigten ABA-induzierten Stomata-Verschlüssen normale Ca2+-Signale in den Blättern bei, selbst wenn sie mit ABA behandelt wurden.

„Wir haben endlich die komplizierte Geschichte enthüllt, wann, wo und wie Pflanzen auf luftgestützte ‚Warnmeldungen‘ ihrer bedrohten Nachbarn reagieren“, sagt er. „Dieses ätherische Kommunikationsnetzwerk, das unserem Blick verborgen bleibt, spielt eine entscheidende Rolle dabei, benachbarte Anlagen rechtzeitig vor drohenden Bedrohungen zu schützen.“

Diese bahnbrechende Forschung vertieft nicht nur unsere Wertschätzung für die erstaunliche Welt der Pflanzen, sondern unterstreicht auch die bemerkenswerte Art und Weise, wie die Natur sie dazu gerüstet hat, zu gedeihen und sich an Widrigkeiten anzupassen. Die tiefgreifenden Auswirkungen dieser Erkenntnisse reichen weit über die Grenzen der Pflanzenwissenschaft hinaus und bieten einen Einblick in das komplexe Geflecht des Lebens auf der Erde.