Lichtabhängige Verteidigungsstrategie

Bekannt ist, dass viele Insekten gerne Nektar naschen und nebenbei Blüten bestäuben. Weniger bekannt ist, dass Pflanzen außerhalb von Blüten Nektar produzieren, um Insekten zur Abwehr anzulocken. Unbekannt war bisher, dass dieser Abwehrmechanismus durch Licht gesteuert wird.

Von mindestens 66 Pflanzenfamilien sind Arten bekannt, die Nektar nicht nur dort produzieren, wo es jeder erwartet, nämlich in ihren Blüten. Stattdessen geben sie zusätzlich auf Blättern oder Trieben Nektar ab. Damit locken sie weitere Insekten, wie Ameisen oder Wespen an, die die freizügigen Pflanzen im Gegenzug gegen Fraßfeinde verteidigen. Produziert wird der zuckerhaltige Pflanzensaft in sogenannten Nektarien, die zwar vorwiegend in Blüten angesiedelt sind, aber bei bestimmten Pflanzen auch extrafloral (außerhalb der Blüten) vorkommen.

Wissenschaftler des Jenaer Max-Planck-Instituts für Chemische Ökologie haben nun herausgefunden, dass die Regulation der extrafloralen Nektarproduktion durch Licht gesteuert wird. Da Nektar stark zuckerhaltig ist, vermuteten die Forscher, dass auch diese Reaktion der Pflanze abhängig vom Licht ist. Denn Zuckermoleküle werden bei der Photosynthese synthetisiert.

Als Versuchsobjekt diente den Wissenschaftlern die Limabohne. Im Focus ihrer Untersuchungen lagen Photorezeptoren, da diese lichtempfindlichen Proteine der Pflanze Informationen über die Lichtqualität und –quantität liefern. Während der Experimente kristallisierten sich bestimmte Photorezeptoren als besonders wirksam heraus. Die sogenannten Phytochrome absorbieren langwellige, rote Lichtanteile und messen das Verhältnis von hell- und dunkelrotem Licht. Durch diesen Vorgang kann die Pflanze abhängig von der Tages- bzw. Jahreszeit die Qualität des eingestrahlten Sonnenlichts bestimmen.

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In früheren Untersuchungen wurde bereits herausgefunden, dass dem Pflanzenhormon Jasmonsäure bei der Steuerung der extrafloralen Nektarsekretion eine besondere Bedeutung zukommt. Blattschäden, aufgrund von Fraßfeinden oder durch künstlich herbeigeführte Verletzungen, steigerten die Konzentration von Jasmonsäure deutlich. Zudem erhöhten externe Applikationen von Jasmonsäure auch die extraflorale Nektarsekretion.

In der aktuellen Studie fanden die Wissenschaftler nun heraus, dass die Lichtsteuerung, die im Phytochrom abläuft, entscheidend in die Funktionsweise der Jasmonsäure eingreift: Im Dunkeln hemmt freie Jasmonsäure die Produktion von Pflanzennektar, im Hellen stimuliert sie sie. Das bedeutet, dass die Pflanze vor allem tagsüber extrafloralen Nektar produziert und damit hilfreiche Insekten zur Unterstützung im Kampf gegen Fraßfeinde anlockt.

Weitere Experimente offenbarten den Forschern auch die biochemische Ursache für diese effektive Verteidigungsstrategie: In einer lichtgesteuerten Reaktion verbindet sich Jasmonsäure mit der Aminosäure Isoleucin. Der dabei entstehende Molekülkomplex aus Jasmonsäure und Isoleucin ist der eigentliche Signalstoff. Dieser löst die Produktion des Nektars aus. Die Phytochromwirkung wird wahrscheinlich durch ein spezielles Enzym reguliert, das für die Verknüpfung der beiden Stoffe verantwortlich ist. Bestätigt wurde die Bedeutung des Jasmonsäure-Isoleucin-Komplexes durch ein weiteres Experiment.  Bei Zugabe eines Hemmstoffs haben sich Jasmonsäure und Isoleucin nicht mehr verbunden, wodurch auch die Steigerung der Nektarproduktion ausblieb. Und schließlich wurde auch bestätigt, dass die Reaktion lichtabhängig ist. Wurden Pflanzen im Dunkeln beschädigt, um die Jasmonsäure-Bildung anzuregen, wurde nur in denjenigen Blättern der Molekülkomplex gebildet, die zuvor einer Rotlichtbestrahlung ausgesetzt worden waren.