Auch ohne Nerven können Pflanzen spüren, wenn etwas sie berührt und wenn es loslässt, wie eine von der Washington State University durchgeführte Studie herausgefunden hat.
In einer Reihe von Experimenten reagierten einzelne Pflanzenzellen auf die Berührung eines sehr feinen Glasstabs, indem sie langsame Wellen von Kalziumsignalen an andere Pflanzenzellen sendeten, und als dieser Druck nachließ, sendeten sie viel schnellere Wellen. Während Wissenschaftler wussten, dass Pflanzen auf Berührungen reagieren können, zeigt diese Studie, dass Pflanzenzellen unterschiedliche Signale senden, wenn eine Berührung eingeleitet und beendet wird.
„Es ist ziemlich überraschend, wie feinfühlig Pflanzenzellen sind – dass sie unterscheiden können, wenn etwas sie berührt. Sie spüren den Druck, und wenn er nachgelassen wird, spüren sie den Druckabfall“, sagte Michael Knoblauch, Professor für Biowissenschaften an der WSU leitender Autor der Studie im Tagebuch Naturpflanzen. „Es ist überraschend, dass Pflanzen dies ganz anders können als Tiere, ohne Nervenzellen und auf einem wirklich guten Niveau.“
Knoblauch und seine Kollegen führten eine Reihe von 84 Experimenten an 12 Pflanzen mit Ackerschmalwand und Tabakpflanzen durch, die speziell für den Einbau von Kalziumsensoren gezüchtet worden waren, einer relativ neuen Technologie. Nachdem sie Teile dieser Pflanzen unter ein Mikroskop gelegt hatten, berührten sie einzelne Pflanzenzellen leicht mit einem Mikroausleger, im Wesentlichen einem winzigen Glasstab von der Größe eines menschlichen Haares. Sie sahen viele komplexe Reaktionen abhängig von der Stärke und Dauer der Berührung, aber der Unterschied zwischen der Berührung und ihrer Entfernung war klar.
Eine mikroskopische Ansicht dessen, was passiert, wenn eine einzelne Zelle einer Ackerschmalwandpflanze von einem feinen Glasstab berührt wird. Bei der ersten Berührung (01:33) sendet die Zelle eine langsame Kalziumsignalwelle an andere Zellen. Wenn die Berührung losgelassen wird, entsteht eine schnellere Welle (06:53). Bildnachweis: Washington State University, Copyright Nature Plants
Innerhalb von 30 Sekunden nach der Berührung einer Zelle sahen die Forscher langsame Wellen von Kalziumionen, sogenanntes zytosolisches Kalzium, die sich von dieser Zelle durch die angrenzenden Pflanzenzellen ausbreiteten und etwa drei bis fünf Minuten dauerten. Das Entfernen der Berührung zeigte fast augenblicklich eine Reihe schnellerer Wellen, die sich innerhalb einer Minute auflösten.
Die Autoren glauben, dass diese Wellen wahrscheinlich auf die Druckänderung innerhalb der Zelle zurückzuführen sind. Im Gegensatz zu tierischen Zellen mit durchlässigen Membranen haben Pflanzenzellen auch starke Zellwände, die nicht leicht durchbrochen werden können, sodass bereits eine leichte Berührung den Druck in einer Pflanzenzelle vorübergehend erhöht.
Die Forscher testeten die Drucktheorie mechanisch, indem sie eine winzige Glaskapillardrucksonde in eine Pflanzenzelle einführten. Zunehmender und abnehmender Druck innerhalb der Zelle führte zu ähnlichen Kalziumwellen, die durch den Beginn und das Ende einer Berührung hervorgerufen wurden.
„Menschen und Tiere nehmen Berührungen über Sinneszellen wahr. Der Mechanismus bei Pflanzen scheint über diesen Anstieg oder Abfall des inneren Zelldrucks zu erfolgen“, sagte Knoblauch. „Und es spielt keine Rolle, um welche Zelle es sich handelt. Wir Menschen brauchen vielleicht Nervenzellen, aber bei Pflanzen kann das jede Zelle an der Oberfläche.“
Eine mikroskopische Ansicht dessen, was passiert, wenn eine einzelne Zelle einer Ackerschmalwandpflanze von einem feinen Glasstab berührt wird. Bei der ersten Berührung (01:33) sendet die Zelle eine langsame Kalziumsignalwelle an andere Zellen. Wenn die Berührung losgelassen wird, entsteht eine schnellere Welle (06:45). Bildnachweis: Washington State University, Copyright Nature Plants
Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass ein Schädling wie eine Raupe, wenn er ein Pflanzenblatt beißt, Abwehrreaktionen der Pflanze auslösen kann, beispielsweise die Freisetzung von Chemikalien, die die Blätter für den Schädling weniger schmackhaft oder sogar giftig machen. Eine frühere Studie ergab außerdem, dass das Bürsten einer Pflanze Kalziumwellen auslöst, die verschiedene Gene aktivieren.
Die aktuelle Studie konnte die Kalziumwellen zwischen Berührung und Loslassen unterscheiden, aber wie genau die Gene der Pflanze auf diese Signale reagieren, bleibt abzuwarten. Mit neuen Technologien wie den in dieser Studie verwendeten Kalziumsensoren könnten Wissenschaftler beginnen, dieses Rätsel zu lösen, sagte Knoblauch.
„In zukünftigen Studien müssen wir das Signal auf eine andere Art und Weise auslösen als bisher, um zu wissen, welches Signal, ob Berührung oder Loslassen, nachgelagerte Ereignisse auslöst“, sagte er.
Mehr Informationen:
Alexander H. Howell et al., Pflasterzellen unterscheiden Berührung vom Loslassen, Naturpflanzen (2023). DOI: 10.1038/s41477-023-01418-9