Abwehr mit „Verzögerungszünder“
Ein pflanzlicher Abwehrstoff wird erst im Schädling aktiviert
Raupe des Tabakschwärmers Manduca sexta auf einem Tabakblatt. Die genaue chemische Analyse ihres Kots (kleine schwarze Kugel) zeigte, wie die die Giftstoffe in den Raupen aktiviert wurden und gaben so Hinweise auf die Biosynthese der Gifte in der Pflanze.
Tabakpflanzen können gefräßige Raupen mit Giftstoffen abwehren, die die Zellmembranen ihrer Angreifer zerstören. Doch warum sind diese Stoffe für die Pflanze selbst ungefährlich? Die Antwort auf des Rätsels Lösung fand ein deutsches Forschungsteam über Umwege im Kot der Opfer.
Pflanzenfresser haben es bei Tabakpflanzen nicht leicht. Die Pflanzen bilden gleich mehrere potente Abwehrstoffe. Säugetiere und nicht-spezialisierte Fraßfeinde werden beispielsweise mit dem Nervengift Nikotin abgewehrt. Für die Pflanzen ist dieser Stoff harmlos. „Da Pflanzen weder Nerven noch Muskeln haben und somit für das Gift auch keine Angriffsfläche bieten, ist es für sie ungefährlich, Nikotin zu produzieren und zu speichern“, erläutert Ian Baldwin von der Abteilung Molekulare Ökologie am Jenaer Max-Planck-Institut. Doch der auf Tabak spezialisierte Tabakschwärmer (Manduca sexta) kann diesen Stoff gut tolerieren. Hier muss die Pflanze andere Geschütze auffahren.
Gift im Ernstfall
Beim Angriff der Tabakschwärmer-Raupen kontert der Wilde Tabak (Nicotiana attenuata) mit der Produktion von größeren Mengen Diterpen-Glykosiden in seinen Blättern. Dieser Verteidigungsmechanismus ist aber bisher weitgehend unerforscht: „Wir hatten keine Ahnung, warum diese Substanzen so wirksame Abwehrstoffe sind und wie sich die Pflanzen vor ihrer toxischen Wirkung schützen“, sagt Baldwin. Diesen Fragen ging ein Forschungsteam des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie und der Universität Münster nun in einer Studie nach, deren Ergebnisse sie in der renommierten Fachzeitschrift „Science“ veröffentlichten.
Jiancai Li sammelt den Kot einer Tabakschwärmerraupe von einer Tabakpflanze, um daran detaillierte Analysen durchzuführen.
Bildquelle: © Anna Schroll
Dazu untersuchten die ForscherInnen die 17-Hydroxygeranyllinalool Diterpen-Glykoside des Wilden Tabaks genauer. Diese Moleküle setzten sich aus einem Glycon (Zucker)-Anteil und einem Aglycon (hier: 17-HGL) zusammen. Aus vorangegangenen Studien war bekannt, dass es nach Ausschalten von Genen zur Glykosylierung von 17-HGL zu starken Schäden an den Pflanzen kommt. Ist also 17-HGL die eigentliche toxische Verbindung, die in Pflanzen normalerweise durch den Zuckeranteil noch harmlos ist?
Im Labor schaltete das Forschungsteam daher gezielt zwei notwendige Gene des Syntheseweges von 17-HGL aus. Sie codieren für Enzyme aus der Gruppe der Cytochrome P450. Überraschenderweise zeigten die so veränderten Pflanzen mit niedrigen 17-HGL-Gehalt aber ebenfalls deutliche Vergiftungserscheinungen: Sie waren klein, deformiert und steril.
Ein Puzzlespiel beginnt
Bei den verkümmerten Pflanzen entdeckte das Team, dass die Zellmembranen angegriffen worden waren. Genauer gesagt, die darin enthaltenen Sphingolipide. Sie sind essentielle Strukturelemente der Lipiddoppelschicht eukaryotischer Zellen, die wichtige Funktionen erfüllen. Das Team fand heraus, dass Gene, die zur Synthese dieser Lipide benötigt werden, teils über- und teils unterreguliert wurden und damit die Produktion gestört ist.
Daraufhin betrachteten sie die Opfer der Abwehrstoffe: die Raupen des Tabakschwärmers. Sie konnten nachweisen, dass auch bei den Raupen der Sphingolipid-Stoffwechsel das Angriffsziel der Diterpen-Glykoside ist.
Kot liefert des Rätsels Lösung
Alle Teile des Puzzles konnten die Forschenden durch die Analyse des Kots der Raupen zusammensetzen: Die Pflanzen speichern die Abwehrstoffe in einer für sie ungiftigen Form. Erst im Verdauungstrakt der Raupen werden die Stoffe chemisch verändert und entfalten ihre tödliche Wirkung.
„Frassomics“: Die chemische Analyse von Raupenkot erwies sich für diese Studie als Schlüssel zum Erfolg.
Bildquelle: © Anna Schroll
Das erkannten die WissenschaftlerInnen durch massenspektroskopische Untersuchungen an den Ausscheidungen der Insekten. Sie fanden heraus, dass in den Raupen nach dem Verzehr die Diterpen-Glykoside in anders hydroxylierter Form vorliegen. Dies sind giftige Derivate, die die Zellmembranen angreifen. Durch die fehlerhafte Synthese der Diterpen-Glykoside in den Versuchspflanzen wurden ebenfalls giftige hydroxylierte Derivate erzeugt, die letztlich im Experiment zur Selbstvergiftung führten.
Die Forschenden nennen ihren Kot-Analyse-Ansatz „Frassomics“. Das Wort ist eine Zusammensetzung aus dem englischen Begriff für Raupenkot (frass) und Metabolomik – der Analyse der Gesamtheit der Stoffwechselprodukte (Metaboliten) in einer Probe. „Bei dieser Studie wurde uns klar, dass Frassomics ein sehr leistungsstarkes Forschungsinstrument sein kann. Analysiert man den Kot von Pflanzenfressern ganz genau, kann dies sehr nützliche Hinweise darauf liefern, wie Stoffe, die Pflanzen produzieren, von ihren Konsumenten abgebaut werden“, sagt Baldwin.
Quelle:
Li, J. et al. (2021): Controlled hydroxylations of diterpenoids allow for plant chemical defense without autotoxicity. In: Science, (15. Januar 2021), doi: 10.1126/science.abe4713.
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Titelbild: Raupe des Tabakschwärmers Manduca sexta auf einem Tabakblatt. Die genaue chemische Analyse ihres Kots (kleine schwarze Kugel) zeigte, wie die die Giftstoffe in den Raupen aktiviert wurden und gaben so Hinweise auf die Biosynthese der Gifte in der Pflanze. (Bildquelle: © Anna Schroll)
