Verteidigungsetat bei Pflanzen ermittelt

Die Abwehr von Schadorganismen, egal ob Insekt, Bakterie oder Virus, kostet die Pflanzen Ressourcen. Wissenschaftler gingen dieser Kosten-Nutzen-Relation auf den Grund. Das Ergebnis: Pflanzen mit einer reduzierten Selbstverteidigung wachsen unter streng kontrollierten Bedingungen besser.

Untersuchungsobjekt war die Modelpflanze der Pflanzenforscher, die Ackerschmalwand. Pflanzenlinien, in denen bestimmte Gene zur Selbstverteidigung gegen Fraßfeinde ausgeschaltet wurden, ermöglichten es, den Effekt dieser Gene auf das Wachstum und die Entwicklung der Pflanzen abzuschätzen. Diese Linien bezeichnet man als „Knock-out“ oder K.O.-Linien. K.O. da bei ihnen ein oder mehrere Gene gezielt abgeschaltet wurden. Damit ist die molekulare Biologie auch in der ökologischen Forschung zum wichtigen experimentellen Werkzeug geworden. Erstmals war es nun möglich, die „Verteidigungskosten“ einer Pflanze direkt zu bestimmen. Bisherige Versuche, die Wechselwirkungen von Fitness und Verteidigung indirekt abzuschätzen, scheiterten. Denn die vermuteten Wirkungen konnten nicht eindeutig nachgewiesen werden. Sie wurden durch andere Effekte überlagert.  Nährstoffe oder die durch die Photosynthese bereitgestellte Energie sind limitierende Ressourcen. , Daher war es zumindest theoretisch klar, dass diese nicht ausschließlich für Wachstum und Reproduktion zur Verfügung stehen können, wenn die Pflanze sich vor Fraßfeinden schützen muss sie in die Abwehr von Feinden fließen. Was jedoch fehlte, war der eindeutige experimentelle Beweis. 

Pflanzen sind im wahrsten Sinne des Wortes an ihrem Standort verwurzelt. Aus diesem Grund verfügen sie über ein gewaltiges Arsenal an Verteidigungsmechanismen und Strategien, um Bedrohungen abzuwenden. So können sich Pflanzen mechanisch durch Wachsschichten, Haare, Stacheln oder Dornen, aber auch chemisch durch die Produktion giftiger Cocktails wehren und gefräßige Besucher in die Flucht schlagen. 

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Die untersuchten Arabidopsispflanzen schützen sich z.B. über kleine Härchen an den Blättern, sogenannte Trichome oder chemisch über einen Cocktail von Glucosinolaten. Letztere werden von allen Kreuzblütengewächsen, den Brassicaceae, gebildet. Gene, die für diese beiden Verteidigungsstrategien verantwortlich sind, waren in den K.O.-Linien ausgeschaltet. Ein direkter Vergleich mit den Wildtyp-Pflanzen, in denen die Verteidigung voll funktionsfähig war, war somit möglich. Über die gesamte Lebenszeit der Pflanzen ermittelten die Wissenschaftler das Biomassewachstum. Um individuelle Faktoren auf die Wachstumsraten der Pflanzen möglichst auszuklammern, wurden diese Wachstumswerte über Größenfaktoren relativiert (größenstandardisierte Wachstumsraten). Damit gelang es, objektiv eine Aussage über die Kosten der Verteidigung über den gesamten Lebenszyklus einer Pflanze zu treffen. Insgesamt wurden neun unterschiedliche K.O.-Linien mit dem dazugehörigen Wildtyp in Gegenwart als auch in Abwesenheit eines Fraßfeindes ermittelt. Wobei bei zwei der neun  Linien defekte Gene besaßen, die nichts mit der Verteidigung zu tun hatten. Gleichzeitig wurde untersucht, wie sich die Fraßfeinde selbst, in diesem Fall Blattläuse, an den jeweiligen Pflanzen entwickelten.  

Abschalten bedeutet wachsen

Wie wirkt sich das Abschalten dieser Schutzschilde auf die Produktivität der Pflanzen aus? Die Antwort fiel eindeutig aus: Pflanzen ohne Schutzschild waren wüchsiger und produktiver als Pflanzen mit. Ausgeschaltete Verteidigungsgene ließen die Pflanzen stärker und vor allem schneller wachsen sowie zeitiger blühen. Vor allem das Wachstum im frühen Entwicklungsstadium der Pflanzen zeigte die stärksten Effekte auf die Biomasseentwicklung über den gesamten Lebensweg einer Pflanze hinweg. Obwohl die Unterschiede zwischen den Pflanzen im frühen Entwicklungsstadium noch relativ gering waren, wurden hier die Wachstumseigenschaften für die spätere Entwicklung angelegt. Ein Vorsprung, den die in der frühen Phase langsamer wachsenden Pflanzen nie aufholen konnten. Damit hatte die juvenile Entwicklung den nachhaltigsten und größten Effekt auf die spätere Entwicklung. Die relative Wachstumsrate erwies sich auch als guter Indikator zur Vorhersage des Blühzeitpunkts. Schnell wachsende Pflanzen blühten zeitiger als deren langsam wachsende Verwandten mit intakter Verteidigung. 

Aber auch die Blattlauspopulation entwickelte sich an schnell wachsenden Pflanzen, also Pflanzen mit ausgeschalteten Verteidigungsgenen, besser als am genetisch nicht veränderten Wildtyp. Schneller wachsende Pflanzen besitzen also nicht nur eine nicht intakte Verteidigung, sondern stellen Fraßfeinden in gleicher Zeit auch noch mehr Ressourcen zur Verfügung als die durch einen intakten Verteidigungsmechanismus langsamer wachsenden Gewächse. Nahm die Zahl der Blattläuse an einer Pflanze zu, wuchsen diese schlechter und blühten später. Verteidigung ist teuer und bindet Ressourcen, lohnt sich aber. 

Relevanz für die Landwirtschaft

Mit anderen Worten: ökologische Interaktionen sind komplexe Systeme. Diese gehen weit über eine eindimensionale Kosten-Nutzen-Relation hinaus. Im Falle unserer Nutzpflanzen bedeutet dies, dass Ertragsmaximierung, bessere Verdaulichkeit oder Anreicherung von gewünschten Inhaltsstoffen wie Proteinen, Fetten oder Kohlehydraten durch Selektion und Züchtung negativ mit der natürlich erworbenen Resistenz gegen Schädlinge korreliert sind. Diese eingeschränkten Resistenzen müssen durch Pflege und Pflanzenschutz kompensiert werden. Durch eine ganzheitliche Betrachtung der landwirtschaftlichen Produktion kommt der Ressourcenoptimierung eine wachsende Bedeutung zu. Nicht die absolute Ertragssteigerung, sondern die Ertragsoptimierung unter Einbeziehung aller Faktoren muss in die Analyse einbezogen werden. Die Kosten des Pflanzenschutzes beginnend von der Erdölraffinerie bis hin zum Endverbraucher und den Effekten auf die Umwelt müssen mit denen der natürlichen Resistenz verglichen werden. Damit bildet die ökologische Grundlagenforschung mit den heute verfügbaren molekularen Methoden die Basis einer Bewertung durch die auf die Praxis orientierte Agrarforschung.