Pflanzen unter Alarm

Pflanzen können weder vor angreifenden Insekten noch vor extremen Wetterbedingungen oder anderen Umweltgefahren fliehen.

Dennoch verfügen sie über ausgeklügelte Abwehrsysteme, mit denen sie Gefahren erkennen und Schutzreaktionen im gesamten Pflanzengewebe koordinieren können.

Forschende der University of Delaware haben nun eine überraschende Eigenschaft dieses Kommunikationsnetzwerks entdeckt. Ihre in der Fachzeitschrift The Plant Cell veröffentlichte Studie zeigt, wie winzige Verbindungen zwischen Pflanzenzellen auf Verletzungen reagieren, indem sie Wasserstoffperoxid freisetzen.

Die Erkenntnisse liefern neue Einblicke in die Biologie von Pflanzen und könnten langfristig dazu beitragen, Nutzpflanzen widerstandsfähiger gegen Umweltbelastungen zu machen.

Wie Pflanzen miteinander kommunizieren

Pflanzenzellen sind durch mikroskopisch kleine Kanäle miteinander verbunden, die als Plasmodesmen bezeichnet werden. Sie verlaufen durch die Zellwände und ermöglichen benachbarten Zellen, Moleküle auszutauschen und wichtige biologische Prozesse aufeinander abzustimmen.

Wird ein Blatt von einem Insekt beschädigt oder durch Umweltstress belastet, helfen chemische Signale dabei, umliegendes Gewebe zu warnen. Ein wichtiger Botenstoff ist Wasserstoffperoxid, eine reaktive Sauerstoffverbindung, die an zahlreichen Vorgängen in den Zellen beteiligt ist. In hohen Konzentrationen kann sie Zellen schädigen. In genau regulierten Mengen spielt sie jedoch eine wichtige Rolle bei der Weitergabe von Abwehrsignalen.

Jung-Youn Lee, Professorin für pflanzliche Molekular- und Zellbiologie an der University of Delaware, erklärte, dass Wasserstoffperoxid an Reaktionen auf Krankheitserreger, mechanische Verletzungen und Veränderungen der Umwelt beteiligt ist.

Seine Aktivität wird streng kontrolliert. So können Pflanzen Informationen weitergeben, ohne das gesamte Gewebe schädlichen Konzentrationen auszusetzen.

Chemische Signale in Echtzeit beobachten

Um diese Vorgänge genauer zu untersuchen, passten die Wissenschaftler einen fluoreszierenden molekularen Sensor namens HyPer7 an. Dieser Sensor erkennt Wasserstoffperoxid, indem sich seine Fluoreszenz verändert. Dadurch können Forschende chemische Aktivitäten unter dem Mikroskop sichtbar machen.

Das Team richtete HyPer7 gezielt auf die Plasmodesmen zweier Pflanzenarten aus: einer in Australien heimischen Pflanzenart und der Ackerschmalwand, die wissenschaftlich als Arabidopsis thaliana bekannt ist.

Mit dieser Methode konnten die Wissenschaftler vergleichen, wie sich Wasserstoffperoxid innerhalb der Kanäle und in angrenzenden Zellbereichen verhält.

Der Hauptautor der Studie, Niraj Kumar Vishwakarma, und seine Kollegen stellten fest, dass die Plasmodesmen deutlich empfindlicher auf Stress reagierten als erwartet.

Verzögerte Signale überraschen Forscher

Zunächst gingen die Forschenden davon aus, dass Wasserstoffperoxid gleichzeitig in verschiedenen Bereichen der Zellen nachweisbar sein würde. Stattdessen beobachteten sie einen komplexeren Ablauf.

Nach einer Verletzung reagierten zunächst die Zellen in unmittelbarer Nähe der beschädigten Stelle. Erst später zeigten auch Plasmodesmen in weiter entfernten, unverletzten Gewebebereichen eine Reaktion.

Die Beobachtungen deuten darauf hin, dass diese Kanäle an einem koordinierten Signalprozess beteiligt sind, der über die unmittelbare Verletzungsstelle hinausreicht.

Jeffrey Caplan, Leiter des Bioimaging Center der Universität, erklärte, dass die Plasmodesmen empfindlicher reagierten als benachbarte Bereiche wie das Zytosol und die Plasmamembran.

Das Zytosol, die Flüssigkeit im Inneren der Zelle, enthält Proteine und andere Moleküle, die Wasserstoffperoxid schnell abbauen können. Dadurch werden möglicherweise Veränderungen seiner Konzentration begrenzt, die sich ansonsten messen ließen.

Warum die Entdeckung wichtig ist

Die Ergebnisse legen nahe, dass Plasmodesmen als spezialisierte Stellen dienen könnten, an denen oxidative Signale erkannt und verarbeitet werden.

Das könnte erklären, wie Pflanzen ihre Abwehrreaktionen über verschiedene Gewebebereiche hinweg koordinieren und gleichzeitig die Konzentration reaktiver Moleküle kontrollieren.

Warum Plasmodesmen in weiter entfernten Bereichen später reagieren als jene in unmittelbarer Nähe einer Verletzung, konnten die Forschenden bislang allerdings nicht klären. Weitere Experimente sind notwendig, um die Mechanismen hinter dieser zeitlichen Verzögerung zu verstehen.

Neue Chancen für die Landwirtschaft?

Ein besseres Verständnis der zellulären Kommunikation könnte langfristig dazu beitragen, Nutzpflanzen zu entwickeln, die widerstandsfähiger gegen Trockenheit, Krankheitserreger und andere Umweltbelastungen sind.

Vishwakarma zufolge könnte die Untersuchung der Reaktionen von Plasmodesmen auf biologische und umweltbedingte Stressfaktoren neue Möglichkeiten aufzeigen, die Kommunikation zwischen Pflanzenzellen gezielt zu beeinflussen.

Auch Lee betonte, dass sich solche Signalsysteme möglicherweise verändern lassen, um die Widerstandsfähigkeit von Pflanzen unter zunehmend unberechenbaren Anbaubedingungen zu verbessern.

Konkrete Anwendungen sind jedoch noch Zukunftsmusik. Die Studie untersuchte zelluläre Mechanismen und wies nicht nach, dass Nutzpflanzen bei landwirtschaftlichen Versuchen dadurch bessere Erträge oder eine höhere Widerstandsfähigkeit erzielen.

Dennoch liefert die Forschung eine vielversprechende Grundlage für weitere Untersuchungen.

Indem sie aufzeigt, wie winzige Zellkanäle auf Verletzungen reagieren, haben die Wissenschaftler einen weiteren wichtigen Baustein des komplexen Kommunikationssystems entdeckt, das Pflanzen beim Überleben hilft.