Flüchtige chemische Signale von beschädigten Pflanzen warnen Nachbarn vor Angriffen von Pflanzenfressern

Tiere verwenden oft sehr spezifische Signale, um ihre Herde vor sich nähernden Raubtieren zu warnen. Überraschenderweise werden ähnliche Verhaltensweisen auch bei Pflanzen beobachtet. Um mehr Licht auf dieses Phänomen zu werfen, haben Forscher der Tokyo University of Science einen solchen Mechanismus entdeckt. Am Modellsystem Arabidopsis thaliana haben die Forscher gezeigt, dass von Pflanzenfressern geschädigte Pflanzen flüchtige chemische „Düfte“ abgeben, die epigenetische Veränderungen in den Abwehrgenen benachbarter Pflanzen auslösen. Diese Gene lösen anschließend Abwehrsysteme gegen Pflanzenfresser aus.

In freier Wildbahn signalisieren sich viele Tierarten, insbesondere solche mit bekannten Raubtieren, gegenseitig drohende Gefahren mit einer Vielzahl von Techniken, die von Geruch bis zu Geräuschen reichen. Dank zahlreicher Studien zu diesem Thema haben wir nun Grund zu der Annahme, dass auch Pflanzen bei drohendem Angriff Alarm schlagen können.

Frühere Studien haben gezeigt, dass Sojabohnen- und Ackersenfpflanzen (Brassica rapa), wenn sie in der Nähe von Minzpflanzen angebaut werden, erhöhte Abwehreigenschaften gegen pflanzenfressende Schädlinge aufweisen, indem sie Abwehrgene in ihren Blättern aktivieren, als Folge des „Abhörens“ von flüchtigen Bestandteilen der Minze. Einfach ausgedrückt: Wenn Minzblätter nach einem Herbivore-Angriff beschädigt werden, reagieren die Pflanzen in ihrer unmittelbaren Umgebung, indem sie ihre Abwehrsysteme gegen Herbivore als Antwort auf die chemischen Signale aktivieren, die von der beschädigten Minze-Pflanze ausgesendet werden. Um diesen Mechanismus besser zu verstehen, untersuchte ein Team von Forschern mehrerer japanischer Forschungsinstitute, darunter der Tokyo University of Science, diese Reaktionen in Arabidopsis thaliana, einer Modellpflanze, die in biologischen Studien weit verbreitet ist.

„Umgebende unbeschädigte Pflanzen, die Gerüchen ausgesetzt sind, die von Pflanzen abgegeben werden, die von Schädlingen gefressen werden, können eine Resistenz gegen die Schädlinge entwickeln. Obwohl die Induktion der Expression von Abwehrgenen in geruchsempfindlichen Pflanzen der Schlüssel zu dieser Resistenz ist, sind die genauen molekularen Mechanismen zum Einschalten des induzierten Zustands oder aus wurden nicht verstanden. In dieser Studie stellten wir die Hypothese auf, dass die Histonacetylierung oder die sogenannte epigenetische Regulation am Phänomen der Resistenzentwicklung beteiligt ist“, erklärt Dr. Gen-ichiro Arimura, Professor an der Tokyo University of Science und einer der Autoren der Studie. Ihre Ergebnisse wurden kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Pflanzenphysiologie.

Zunächst setzten sie die Pflanzen β-Ocimen aus, einer flüchtigen organischen Verbindung, die häufig von Pflanzen als Reaktion auf Angriffe von Pflanzenfressern wie Spodoptera litura freigesetzt wird. Als nächstes versuchten die Forscher, den genauen Wirkungsmechanismus der durch flüchtige Chemikalien aktivierten Pflanzenabwehr zu bestimmen.

Die Ergebnisse waren interessant – in Arabidopsis-Blättern wurden Abwehrmerkmale induziert, vermutlich durch „epigenetische“ Mechanismen, die sich auf eine Genregulation beziehen, die aufgrund äußerer Umwelteinflüsse auftritt. In diesem Fall verstärkten die von den geschädigten Pflanzen freigesetzten flüchtigen Chemikalien die Histonacetylierung und die Expression von Abwehr-Genregulatoren, einschließlich der Ethylen-Response-Factor-Gene „ERF8“ und „ERF104“. Das Team fand heraus, dass ein bestimmter Satz von Histon-Acetyltransferase-Enzymen (HAC1, HAC5 und HAM1) für die Induktion und Aufrechterhaltung der Anti-Herbivore-Eigenschaften verantwortlich war.

Die Forscher sind begeistert von ihrer Entdeckung der Rolle, die die Epigenetik bei der Pflanzenabwehr spielen muss. Ihrer Meinung nach kann die Kommunikation zwischen Pflanzen über flüchtige Verbindungen (bekannt als das Phänomen der „sprechenden Pflanzen“) potenziell auf ökologische Anbausysteme übertragen werden. Dies kann die Schädlingsresistenz von Pflanzen erhöhen und unsere massive Abhängigkeit von Pestiziden effektiv reduzieren.

„Die effektive Nutzung der natürlichen Überlebensstrategien von Pflanzen in Produktionssystemen wird uns der Verwirklichung einer nachhaltigen Gesellschaft näher bringen, die gleichzeitig Umwelt- und Ernährungsprobleme löst“, schließt Dr. Arimura.