Nützliche Schmarotzer?

Normalerweise sind parasitische Pflanzen für andere Pflanzen nur eine Plage. Denn sie zapfen Wirtspflanzen an und entziehen ihnen so überlebenswichtige Nährstoffe. Doch eine Studie konnte nun zeigen, dass der parasitische Teufelszwirn im Gegenzug seine Wirtspflanzen auch vor gefräßigen Insekten warnen kann.

Parasitische Pflanzen der Gattung Cuscuta werden auch Teufelszwirn oder Hexenseide genannt. Der Name ist Programm: Es handelt sich um Vollschmarotzer, die bei der Wahl des Wirts nicht wählerisch sind und großen Schaden anrichten können. Der Teufelszwirn besitzt keine Wurzeln. Stattdessen haftet er sich mit seinen Saugorganen (Haustorien) an die Leitbahnen seiner Opfer und entzieht der Wirtspflanze alles was er zum (Über-)Leben braucht: Wasser, Nährstoffe und sogar Makromoleküle.  

Teufelszwirn baut sich ein parasitisches Netzwerk auf

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Mit einer Wirtspflanze allein ist der Teufelszwirn aber nicht zufrieden: Oft befällt er gleich mehrere auf einmal und schafft sich so ein parasitisches Netzwerk. Der Parasit verbindet über „Teufelszwirn-Brücken“ selbst Pflanzen unterschiedlicher Arten miteinander.

Ähnliche Netzwerke kennt man von Pilzen. Mykorrhizapilze formen unterirdische Netzwerke mit den Wurzeln von Pflanzen. Hier geschieht dies klar zu beiderseitigem Nutzen, weswegen man diese Art der Verbrüderung auch mutualistische Symbiose nennt. Über die Pilznetzwerke können Pflanzen sogar untereinander Stoffe austauschen (vgl. „Unterirdischer Nährstoffhandel“) und kommunizieren.

Doch sind die Netzwerke des Teufelszwirns auch eine Art Kommunikationsverbindung zwischen den befallenen Pflanzen? Gefragt, geforscht: Ein Forschungsteam vom Kunming Institut für Botanik in China und des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena untersuchte anhand mehrerer Experimente, ob die netzwerkartige Verbindung zur Weiterleitung von Signalen dienen kann.

Signalübertragung untersucht

Wenn eine Pflanze von Insekten angegriffen wird, werden mobile Signale durch die Leitungsbahnen der Pflanze geleitet. Dadurch wird auch in noch nicht betroffenen Pflanzenteilen die Verteidigung frühzeitig hochgefahren. Doch können solche Warnsignale auch zwischen Pflanzen ausgetauscht werden, die durch einen Teufelszwirn untereinander verbunden sind?  

Um das zu überprüfen, wurden zunächst Sojabohnenpflanzen (Glycine max) mit dem Parasiten Cuscuta australis verbunden. Anschließend wurden Raupen des Asiatischen Baumwollwurms (Spodoptera litura) auf ausgewählte Pflanzen gesetzt. Nach 24 Stunden überprüfte das Forscherteam, ob Abwehrmechanismen auch in den nicht attackierten, aber mit Teufelszwirn verbundenen Pflanzen nachzuweisen sind.

Verteidigung wird überall hochgefahren

Mittels RNA-Sequenzierung überprüften sie zunächst die Veränderungen der Genaktivitäten der Pflanzen nach Insektenbefall (Transkriptomanalyse). Es zeigten sich große Veränderungen bei allen untersuchten Blätter: befallener Blätter, aber auch nicht-befallener Blätter derselben Pflanze sowie in Blättern benachbarter Pflanzen, die ebenfalls noch von den Insekten verschont geblieben waren.

Verglichen mit der Kontrollgruppe ohne Schadinsektenbefall wurden in den direkt befallenen Blättern knapp über 900 Gene unterschiedlich exprimiert (820 davon hochreguliert und 84 runterreguliert). In nicht-befallenen Blättern derselben Pflanze waren es noch 655 (519 hoch- und 136 runterreguliert) und in den Blättern benachbarter Pflanzen 566 Gene (283 hoch- und 283 runterreguliert).

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Die Wissenschaftler entdeckten auch, dass in allen Blättern nach dem Insektenbefall zwei Trypsin-Protease-Inhibitor-Gene (Glyma09g28310 und Glyma16g33710) hochreguliert wurden, die bekanntermaßen der Abwehr von Insekten dienen. Dies erhärtete zusätzlich die Hypothese, dass Verteidigungssignale über die Teufelszwirn-Brücken zu allen verbundenen Pflanzen gelangen und überall Abwehrmechanismen eingeleitet werden.

Experimente mit anderen Pflanzenarten (Ackerschmalwand, Tabak und wilde Tomate) untermauerten die Ergebnisse. Zudem konnten die Forscher anhand von weiteren Versuchen ausschließen, dass die beobachteten Effekte auf flüchtige organische Verbindungen (sogenannte VOCs) zurückzuführen sind. Die Warnsignale verbreiteten sich demnach nicht über die Luft, sondern über die Schmarotzer-Verbindungen.

Es wird weiter geforscht

Nach kurzer Zeit konnten höhere Konzentrationen von Abwehrsubstanzen in allen durch den Parasit verbundenen Pflanzen nachgewiesen werden. Die Signalübertragung funktionierte auch zwischen Pflanzen, die mehr als einen Meter voneinander entfernt wuchsen. Die dafür verantwortlichen Signalmoleküle sind allerdings bisher noch unbekannt. Bekannt ist lediglich, dass der Prozess maßgeblich von der Produktion des Pflanzenhormons Jasmonsäure abhängig ist. Nun soll auch noch geklärt werden, ob bei einem Befall mit anderen Insekten (z. B. Blattläuse) die gleichen oder andere Verteidigungssignale ausgetauscht werden und wie der Transport im Detail vonstattengeht.

Bisher sah man im Teufelszwirn lediglich den Schädling, da er beispielsweise beim Sojaanbau bedeutende wirtschaftliche Schäden verursacht. Doch die Studie legt nahe, dass die Beziehung komplexer ist, als man bisher ahnte: „Ökologische Wechselbeziehungen in der Natur sind äußerst vielschichtig. So stiehlt ein Schmarotzer seinem Wirt wertvolle Nährstoffe, agiert aber auch als wichtiges Bindeglied, um Nachbarn zu warnen. Ob diese Warnung nur uneigennützig ist, müssen weitere Studien klären“, sagt der beteiligte Prof. Dr. Ian Baldwin vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie.