Du beißt mich, ich wehr mich!

Dass Peptide die pflanzliche Abwehr in Nachtschattengewächsen, wie Tomaten, steuern war lange bekannt. Jetzt entdeckten Forscher, dass es diese Verteidigungs-Peps auch in anderen Pflanzenfamilien gibt. In Maispflanzen wird bei einem Angriff von Fressfeinden das Peptid ZmPep3 gebildet. Dieses stimuliert die Produktion von Abwehrstoffen, welche die Angreifer direkt oder indirekt schädigen. Anscheinend sind diese Signalwege schon früh in der Evolution entstanden und haben sich seitdem nur wenig verändert.

Um sich vor Fressfeinden oder Krankheitserregern zu schützen, haben Pflanzen im Laufe der Evolution vielfältige Methoden zur Verteidigung entwickelt.

Direkte und indirekte Pflanzenabwehr

Werden Pflanzen beispielsweise von Insekten angegriffen, löst dies in den Pflanzen Abwehrmechanismen aus, deren Signalwege im Zentrum einer neuen Studie stehen. Neben offensichtlichen morphologischen Anpassungen, wie beispielsweise Stacheln und Dornen, existiert demnach auch eine nicht sichtbare, biochemische Abwehr gegen Fressfeinde. Dies kann auf zwei Wegen geschehen: Entweder wird der Angreifer durch für ihn toxische Stoffe direkt beeinträchtigt oder indirekt. Durch eine Art chemischen Hilferuf, werden die Feinde der Angreifer anlockt, die der Pflanze quasi einen Gefallen tun, indem sie diese von ihren Angreifern befreien.

Signal zur Verteidigung

Durch den Angriff der Fressfeinde werden in der Pflanze molekulare Reaktionen hervorgerufen: Es werden Botenstoffe aktiviert, die dann Abwehrmechanismen gegen Fressfeinde auslösen.

Bei den Nachtschattengewächsen (Solanaceae) – wie z.B. der Tomate (Solanum lycopersicum) – gibt es einen ganz spezifischen Signalweg: Knabbert ein Insekt an der Pflanze wird das Peptidhormon Systemin gebildet. Dieses Pflanzenhormon kurbelt die Produktion von Jasmonsäure und diese wiederum die Bildung von Abwehrsubstanzen an, darunter z.B. Stoffe, die die Verdauung der schädlichen Insekten stören. Da dieser Signalweg, bzw. die Bildung von Systemin, spezifisch für Nachschattengewächse ist, suchten Forscher seit langem nach vergleichbaren Signalmolekülen und –wegen in anderen Pflanzenfamilien. In Maispflanzen (Zea mays) wurden sie jetzt fündig.

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Das gesuchte Signalpeptid heißt ZmPep3

Dafür simulierten die Forscher bei den Blättern der Pflanzen einem Angriff mit den Raupen des Falters (Spodoptera exigua, auch Knöterich-Seidenglanzeule oder Zuckerrübeneule genannt): Die Forscher trugen an beschädigten Stellen der Blätter den Speichel der Insekten auf und untersucht daraufhin die Reaktion der Pflanze.
   
Werden die Blätter der Maispflanzen von den Raupen „angefressen“, produzieren sie ein spezielles Peptid - ein Molekül, das aus mehreren Aminosäuren besteht und als kleines Protein bezeichnet wird. Dieses Peptid nennt sich ZmPep3 und bewirkt, dass flüchtige Stoffe und Hormone produziert werden. Die Hormone sorgen für die Bildung von toxisch wirkenden Stoffen (darunter Benzoxazinoide), die als natürliche Insektizide fungieren und die Angreifer schädigen. Zudem sondern die Pflanzen flüchtige Stoffe ab, welche die Feinde ihrer Feinde anlocken. Durch die abgesonderte Duftstoffe (sogenannte Terpene) wurden Schlupfwespen (Cotesia marginiventris) angezogen, die ihre Eier in der Raupe ablegen und ihren Wirt dadurch töten.

„Wir haben nachgewiesen, dass es sich bei ZmPep3 tatsächlich um die Signalsubstanz handelt, welche die Bildung einer Mischung von flüchtigen Molekülen auslöst, die auf die nützlichen Schlupfwespen eine stark anziehende Wirkung ausüben“, erläutert Ted Turlings, ein beteiligter Forscher der Studie und Leiter des Labors „Fundamental and applied research in chemical ecology (FARCE)“ der Universität Neuenburg.

Signal auch ohne Biss

Untermauert wurden die Ergebnisse durch ein weiteres Experiment: Die Wissenschaftler behandelten die Pflanzen nur mit dem Signalpeptid ZmPep3 und testeten, ob durch eine Erhöhte Konzentration auch ohne Angreifer die Wespen von den Pflanzen angelockt werden. Tatsächlich sonderten die behandelten Pflanzen daraufhin flüchtige Duftstoffe aus, welche die Wespen anzogen.

Konservierte Signalwege

Sowohl in den zweikeimblättrigen Nachschattengewächsen, als auch in den einkeimblättrigen Pflanzen (wie dem Mais) steuern demnach Peptide die Verteidigung von Pflanzen. Die Forscher sprechen daher davon, dass die Bildung von Peptiden ein konserviertes Signal für Pflanzen ist, d.h. Peptide sind Signalmoleküle, die es schon sehr lange gibt und die sich im Laufe der Evolution nur wenig verändert haben. Dafür spricht, dass dieser Signalmechanismus in unterschiedlichen Pflanzenfamilien gefunden werden konnte.

Diese Erkenntnisse sind auch für Pflanzenzüchter entscheidend: Für eine gezielte Verbesserung des pflanzlichen Widerstands gegen Schädlinge ist es erforderlich, die molekularen Mechanismen in den verschiedenen Kulturpflanzen genau zu verstehen.  Kennt man die Signalwege dieser Abwehr und die genaue Wirkung einzelner Peptide ist es auch durchaus denkbar, Pflanzen in Zukunft mit synthetischen Peptiden zu behandeln und somit ihre natürlichen Abwehrkräfte gegen bestimmt Schädlinge zu verstärken.