Fressfeinde und Pflanzenabwehr schwingen im gleichen Rhythmus

Eine innere Uhr sagt Pflanzen, wann der Feind angreift. Kommen die Pflanzen aus dem Rhythmus, gerät auch die Abwehr durcheinander und sie fallen Fraßfeinden leichter zum Opfer. Wissenschaftlern gelang es, die Pflanzenabwehr auf unterschiedliche Tagesrhythmen zu trainieren und zu stärken.

Wie fast alle höheren Tiere besitzen auch Pflanzen eine innere Uhr nach der sie wachsen, ihre Blätter und viele wichtige Prozesse ausrichten. Sie wird auch als „circadiane Uhr“ bezeichnet, da sie mit einer Periode von ungefähr 24 Stunden (lateinisch circa dian „ungefähr ein Tag“) schwingt.

Wissenschaftler zeigen in einer aktuellen Studie, dass sogar die Verteidigung gegen Schädlinge in Pflanzen tagesrhythmisch kontrolliert wird. Die Forscher setzten die Raupen des Nachtfalters Trichoplusia ni auf Arabidopsis Pflanzen an, um zu testen, zu welcher Tageszeit die Pflanzen am wehrhaftesten sind. Die Nachtfalterraupen sind normalerweise in der Dämmerung am hungrigsten und richten zu dieser Zeit die größten Fressschäden an. Die Testpflanzen wurden daher vorher an zwei unterschiedliche Tages- und Nachtrhythmen gewöhnt. Die erste Pflanzengruppe wuchs in dem gleichen Hell-Dunkel-Zyklus auf, wie die Raupen. Die zweite Pflanzengruppe wurde auf den entgegengesetzten Licht-Dunkel-Rhythmus trainiert.

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Das Experiment zeigte, dass Pflanzen, die auf den inneren Rhythmus der Raupen eingestellt wurden, in der Dämmerung wehrhafter waren, als Pflanzen die nicht auf diesen Tageszyklus trainiert wurden. Von den Pflanzen, deren innere Uhr nicht im Rhythmus der Raupen mitschwang, blieb dagegen nur die Hälfte des Blattwerkes übrig. Diese Raupen, legten auch gleich dreimal so viel Gewicht zu, wie ihre Artgenossen auf den Kontrollpflanzen. Demnach funktioniert die Pflanzenabwehr am besten, wenn Pflanzen tagesrhythmisch an das Fressverhalten ihrer Feinde angepasst sind. Wird dieser Rhythmus aus dem Takt gebracht, wird die Verteidigung schwächer, wie ein weiteres Experiment der Studie zeigte. In den Arabidopsis-Mutanten lux2 und CCA1-OX, in denen der cirkadiane Pflanzenrhythmus gestört ist, ließ sich die Pflanzenabwehr nicht mehr auf den Ryhthmus der Raupen trainieren und verbessern.

Das molekulare Uhrwerk, das die Abwehrmechanismen zyklisch steuert, wird vermutlich von Pflanzenhormonen kontrolliert. Die Pflanzenforscher entdeckten in den Pflanzenblättern, dass sich das Phytohormon Jasmonsäure tageszeitabhängig in den Blättern und Stengeln anreichert. Die höchste Konzentration erreichte das Hormon einige Stunden vor der Dämmerung, also schon bevor die Raupen angreifen. Die Wissenschaftler vermuten daher, dass die Jasmonsäure eine Schlüsselrolle bei der zikardianen Abwehr spielt, da das Hormon zu diesem Zeitpunkt wichtige Abwehrgene aktiviert. In mutierten Pflanzen, die keine aktive Jasmonsäure mehr bilden können, gelang es den Wissenschaftlern beispielsweise nicht, die Pflanzenabwehr durch Trainieren an den Raupenrhythmus zu steigern.

Tagesryhthmisch schwingende Pflanzenhormone sind vermutlich auch an der Abwehr gegen biotrophe Pflanzenbakterien beteiligt. Diese befallen die Pflanzen besonders in den frühen Morgenstunden. Einige Stunden vor der Morgendämmerung, so zeigt die Studie, reichern Pflanzen in ihren Geweben das Abwehrhormon Salicylsäure an. Die Salicylsäure spielt eine wichtige Rolle bei der Immunantwort der Pflanze, leitet die Bildung spezifische Resistenz-Eiweiße ein und aktiviert teilweise die gleichen Gengruppen wie die Jasmonsäure.

Dass Pflanzen viele Stoffwechselprodukte abhängig vom Tages- und Nachtrhythmus anreichern, ist bereits seit Längerem bekannt. Dies gilt beispielsweise auch für einige flüchtige Stoffe von Bohnen-, Tabak- und Getreidepflanzen, die für die Verteidigung wichtig sind. Die Wissenschaftler sehen darin einen weiteren Zusammenhang zwischen den Abwehrmechanismen und der inneren Pflanzenuhr und Lichtreizen. Auch in anderen Studien wurde bereits gezeigt, dass Arabidopsis Pflanzen resistenter gegen Pseudomonas Bakterien wurden, wenn man sie zuvor auf starke Lichtreize trainierte. Möglicherweise lässt sich mit bestimmten Licht-Dunkelreizen auch die Abwehr von Nutzpflanzen besser an Pflanzenschädlinge anpassen und verbessern.