Vom Opfer zum Angreifer

Verteidigungsmechanismus wird zum Verdauungsapparat

13.05.2016 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Die Fänge der Venusfliegenfalle haben ihren evolutionären Ursprung im klassischen Blatt. (Bildquelle: © iStock.com / VickieSichau)
Die Fänge der Venusfliegenfalle haben ihren evolutionären Ursprung im klassischen Blatt. (Bildquelle: © iStock.com / VickieSichau)

Eine Forschergruppe konnte nachweisen, dass Venusfliegenfallen das Chitin ihrer Opfer erkennen können. Dieser Mechanismus, der die Venusfliegenfalle zum Fleischfresser macht, ist bei anderen Pflanzen als Schutzmechanismus vor tierischen Feinden etabliert. Ob es sich dabei um eine Weiter- oder eine Parallelentwicklung der Evolution handelt, dieser Frage gingen Forscher in einer aktuellen Studie nach.

Seit Darwins Zeit ist das Konzept von fleischfressenden Pflanzen bekannt. Die genauen molekularen Mechanismen und genetischen Informationen, die hinter dieser speziellen Lebensform stehen blieben allerdings lange im Verborgenen. Jetzt hat eine Forschergruppe, um den Biophysiker Professoren Rainer Hedrich und den Bioinformatiker Professor Jörg Schulz an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg, einen großen Schritt zum molekularen Verständnis der Venusfliegenfalle (Dionaea muscipula) und der Frage, welche Gene die Falle zur Falle macht, getan.

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Eine Venusfliegenfalle mit ihrem Drüsenrasen. Der Ausschnitt zeigt einzelne Drüsen unter dem Mikroskop.

Bildquelle: © Sönke Scherzer

Mit Hilfe der Kombination von ultrastruktureller-, physiologischer- und Proteomanalyse mit Transkript-Sequenzierung wurden die beuteabhängigen Änderungen des Genexpressionsmusters und des Nährstofftransports in Bezug auf die endokrine Biologie der Drüsen untersucht. Die Ergebnisse wurden nun in der Fachzeitschrift „Genome Research“ veröffentlicht.

Der Duft von reifen und angefaulten Früchten

Wie Hedrich und seine Kollegen in vorangegangen Forschungsprojekten herausfanden, lockt die im Südosten der USA heimische, Venusfliegenfalle ihre Opfer durch eine blütenähnliche Farbe und den Duft von reifen und angefaulten Früchten in ihre Fänge. Berührt ein potentielles Opfer, z. B. ein Insekt, mindestens zwei Mal innerhalb kurzer Zeit die hochempfindlichen Sinneshaare, die sich auf ihrer Klappfalle befindet, schnappt sie im Bruchteil einer Sekunde zu. Dies geschieht mit Hilfe elektrischer Impulse, sogenannter Aktionspotentiale, die durch die Berührungen ausgelöst werden und wiederum das Hormon Jasmonsäure freisetzen. Jasmonsäure ist ein Signalstoff, der für die Ausschüttung von Verdauungsenzymen verantwortlich ist.

Blatt mit Wurzelfunktion

Für ihre aktuelle Studie verglich das Forscherteam unter anderem die komplementären Sequenzdatensätze von aktiven und inaktiven Venusfliegenfallen. Hierbei wurde der Ursprung der hochentwickelten Falle deutlich: Ihre Fänge haben ihren evolutionären Ursprung im klassischen Blatt. Allerdings fanden die Forscher auf der Innenseite der Fänge eine Drüsenstruktur, die sonst nur in Wurzeln zu finden ist. Diese Drüsen bestehen aus einem dreiteiligen, kuppelförmigen Schichtenverbund. Die innerste Schicht ist möglicherweise für die Energiegewinnung zuständig, wie die Forscher erläutern. Die mittlere Schicht dient wahrscheinlich der Nährstoffaufnahme. In ihrer zerklüfteten Beschaffenheit erinnert die äußerste Schicht an eine Struktur, die auch im menschlichen Darm zu finden ist. Hier werden die Verdauungsenzyme ausgeschieden.

Der Geschmack von Chitin

Die Verdauung im Fangorgan findet mithilfe spezieller Verdauungsenzyme wie, z. B. VF-Chitinase I, statt. Sie werden gebildet nachdem das Insekt mindestens fünf Mal die Sinneshaare der Pflanze berührt und die Umklammerung noch verstärkt. Die Verdauungsenzyme werden aus Drüsen an der Innenseite der Falle ausgestoßen und sind in der Lage, den Chitinmantel von Insekten zu zersetzen. Die Bildung dieser Enzyme werden zwar durch die Bewegung der Sinneshaare angeregt, endet jedoch nicht zwangsweise sobald keine Reize mehr wahrgenommen werden.

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Drüsen im Detail: Der Ausschnitt zeigt einzelne Drüsen unter dem Mikroskop, in der Zeichnung sind die drei Schichten einer Drüse mit ihren typischen Zelltypen dargestellt.

Bildquelle: © Dirk Becker / Sönke Scherzer

Grund hierfür ist ein Rezeptor, mit dem die Pflanze das Chitin des Opfers „schmeckt“. Die Pflanze erhöht die Enzymproduktion nach Aktivierung des Chitinrezeptors nochmals deutlich. Die Enzyme wandeln unter anderem Stickstoff aus Ammonium (NH4+), das in der Beute enthalten ist, zu Stickstoff (N) um. Diese Stickstoffquelle verschafft der Pflanzen einen strategischen Vorteil, da diese sich so auch an extrem nährstoffarmen Standorten niederlassen kann.

Chitinrezeptor als Teil einer Abwehrstrategie

Wie die Forscher anhand der nicht-fleischfressenden Modellpflanze, der Ackeschmalwand (Arabidopsis thaliana), nachwiesen, ist das Erkennen von Chitin eigentlich Teil einer weiterarbeiteten Abwehrstrategie von Pflanzen. Wird Chitin durch einen Rezeptor nachgewiesen, ist dies ein Zeichen von Gefahr in Form eines fressenden Insekts oder eines schmarotzenden Pilzes. Als Folge wird eine Abwehrreaktion eingeleitet. Bei der Venusfliegenfalle wurde dieser Prozess im Laufe der Evolution umgewidmet und wird nicht mehr zur Abwehr, sondern zum Angriff genutzt.

Bei der Ackerschmalwand führt beispielsweise eine Verwundung, wie eine Berührung der Sinneshaare der Venusfliegenfalle, zu einem elektrischen Impuls, der einen Ausstoß von Jasmonsäure anregt. Allerdings führt die Aktivierung von Jasmonsäure normalerweise zur Produktion von Stoffen, die Insekten vergiften, abschrecken oder die Blätter schwer verdaulich machen. Bei der Venusfliegenfalle wird, wie beschrieben so die Verdauung in Gang gesetzt.

Zukünftiger Forschungsansatz

Zukünftig wollen die Forscher das Erbgut von fleischfressenden Pflanzen mit dem von protokarnivoren Pflanzen vergleichen wie dem Bleiwurz (Plumbago auriculata) und mit dem von Pflanzen, wie dem Hakenblatt (Triphyophyllum peltatum), bei denen sich karnivore und nicht-karnivore Stadien abwechseln. So wollen die Forscher ermitteln, was Pflanzen benötigen, um sich Tiere als Nahrungsquelle zu erschließen.

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