Der „Speedy Gonzales“ des Pflanzenreichs

Ultraschnelle Saugfallen von fleischfressenden Wasserschläuchen untersucht

13.10.2017 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Detailaufnahme einer Saugfalle von Utricularia vulgaris. (Bildquelle: © Poppinga et al. 2016, AoB PLANTS 8: plv140; doi:10.1093/aobpla/plv140; CC BY 4.0)
Detailaufnahme einer Saugfalle von Utricularia vulgaris. (Bildquelle: © Poppinga et al. 2016, AoB PLANTS 8: plv140; doi:10.1093/aobpla/plv140; CC BY 4.0)

Vergleichbar mit der berühmten Zeichentrick-Maus, die als die schnellste Maus von Mexiko bekannt ist, sind die Saugfallen der Wasserschläuche die schnellsten Fallen im Pflanzenreich. Die Beute wird mit einer Geschwindigkeit von bis zu 4 Metern pro Sekunde eingesaugt – sie wird dabei mit dem 2.800-fachen der Erdanziehung beschleunigt. Wissenschaftler haben die Vielfalt der Fallen nun untersucht und dabei die Evolution der Fangvorrichtungen genauer beleuchtet.

Fleischfressende Pflanzen sind faszinierende Lebewesen, mit fremdartig wirkenden Fangvorrichtungen. Mit diesen Fallen sind sie in der Lage, kleine Tiere zu fangen, um ihren Nährstoffhaushalt aufzubessern. Denn sie leben oft an sehr nährstoffarmen Orten, an denen es z. B. kaum Stickstoffverbindungen gibt. Kleine Tiere als Proteinkraftfutter sind da eine gute Nahrungsergänzung. Unter den pflanzlichen Räubern gibt es eine Gattung, die besonders heraussticht: Die Wasserschläuche (Utricularia).

Wasserschläuche sind vielfältig und einzigartig

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Hier erkennt man die strukturelle Vielfalt bei fleischfressenden Wasserschläuchen (Utricularia spp.), deren Fallen und Blüten.

Bildquelle: © A. Fleischmann (SNSB-BSM) und Plant Biomechanics Group Freiburg

Sie sind evolutionär gesehen die jüngste, aber mit ca. 240 Arten auch die artenreichste Gruppe karnivorer Blütenpflanzen. Von ihnen leben ca. 84 Prozent an Land und 16 Prozent im Wasser. Und sie zeichnen sich durch eine Reihe außerordentlicher Merkmale aus, beispielsweise besitzen sie weder Wurzeln noch klassische Laubblätter. Die Blätter wurden meist zu Fallen umgewandelt und ihr Spross übernimmt die wichtige Funktion, Photosynthese zu betreiben. Es gibt nicht nur Exemplare, die durch das kleinste bekannte Genom mehrzelliger Pflanzen auffallen. Vor allem sind sie für ihre ungewöhnlichen Saugfallen bekannt. Diese bei Pflanzen einzigartigen Fangapparaturen sind vor allem eins: ultraschnell.  

Die Funktionsweise der blasenförmigen Fallen war bisher jedoch nur an Vertretern untersucht worden, die im Wasser leben. Bei ihnen erzeugen die Fallen einen Unterdruck, der das umgebende Wasser und alles, was darin schwimmt ins Innere der Fallen saugt. Ein Team aus Forscherinnen und Forschern aus Freiburg, München und Münster hat sich daher die Frage gestellt, ob die Fallen der an Land lebenden Wasserschlauch-Arten nach dem gleichen Prinzip funktionieren und wie sich die Saugfallen entwickelt haben.

Vergleichende Analysen geben Aufschluss

Das Team untersuchte daraufhin den Fangmechanismus von 19 Arten genauer – darunter 18 terrestrisch lebende Arten und ein aquatisch lebender Vertreter. Im Labor verglichen sie die Morphologie und Funktionsweise der Fallen mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen und Elektronenmikroskopen.

Es konnten zwei grundsätzliche Funktionsprinzipien identifiziert werden: Es gibt aktive und passive Fallen. Wobei nur die Art U. multifida aus dem Südwesten Australiens keine Fallenaktivität aufweist und daher dem passiven Fallentyp zuzuordnen ist. Es wird vermutet, dass die Fallen als eine Art Klapptür fungieren, durch die die Beute „eintreten“ kann und eingeschlossen wird.

Die aktiven Fallen können wiederum in drei unterschiedliche Haupttypen von Bewegungsabläufen beim Saugen unterteilt werden. Dennoch gibt es viele Subtypen. Der Hauptunterschied der Typen ist, ob eine Krümmung vor dem Öffnen stattfindet oder nicht. Die Forscher interpretieren diese Unterschiede als Anpassungen an die verschiedenen besiedelten Lebensräume, die aufgrund der weltweiten Verbreitung stark variieren. Diese spiegelt sich nicht nur in den Bewegungsabläufen wider, sondern auch in unterschiedlichen Fallenformen (kurze oder längere, mehr röhrenförmige Falleneingänge) und in morphologischen Besonderheiten der Falleneingangs- und Türstrukturen.

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Rasterelektronenmikroskopisches Bild: Zu sehen ist ein Längsschnitt einer U. vulgaris-Falle. Am Falleneingang sind auch die Sinneshaare (rechts - mittig) zu erkennen, deren Stimulation die Falle aktivieren.

Bildquelle: © Poppinga et al. 2016, AoB PLANTS 8: plv140; doi:10.1093/aobpla/plv140; CC BY 4.0

Spontane Aktivität beobachtet

Normalerweise bedarf es einer Berührung der Sinneshaare – feine, haarähnliche Strukturen, die sich auf den Fallen befinden – damit diese ihre Saugaktivität beginnen. Doch in allen untersuchten Arten mit aktiven Fallen konnte hin und wieder auch eine spontane Aktivität ohne vorherige Stimulierung beobachtet werden. Je nach Art erfolgen diese entweder willkürlich, regelmäßig oder in wahren Ausbrüchen, d. h. viele schnelle und aufeinanderfolgende Saugereignisse.

Doch so sinnlos wie man auf den ersten Blick meint, ist das Verhalten nicht. Denn diese Ereignisse können bei den Wasserpflanzen dazu führen, dass sich Biomasse, die im freien Wasser schwebt wie Algen oder Reste organischer Substanz, in den Fallen anhäuft und die Ernährung der Wasserschläuche ergänzt (vgl. „Mehr als nutzloser Beifang“).  

Entstehungsgeschichte rekonstruiert

Ihre Studie ergänzte das Team noch um phylogenetische Analysen und betrachtete dafür die Gensequenzen von über 100 Wasserschlauch-Arten. Die Analysen zeigten, dass in Australien Arten mit passiven Fallen die Vorläufer waren, aus denen sich in den nächstverwandten Abstammungslinien Pflanzen mit aktiven Fallen entwickelten. Die aktiven Saugfallen waren wohl ein wichtiger Entwicklungsschritt, der die große Artenvielfalt bedingt haben könnte, schreiben die Autoren. Gleich mehrfach haben sich in den Abstammungsgemeinschaften von landlebenden Vorfahren mit aktiven Saugfallen Linien entwickelt, die im Wasser leben und über ultraschnelle Saugfallen verfügen. Mit den Untersuchungen legen die Forschen damit einen ausführlichen Stammbaum der Gattung Utricularia vor, der nun Grundlage weiterer Forschung sein kann.

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