Vielfalt und Kompromisse bei der Pflanzenabwehr

Ein gutes Verteidigungssystem schützt vor Fraßfeinden, geht aber zu Lasten anderer Eigenschaften. Pflanzen haben daher die Fähigkeit entwickelt, Abwehrmechanismen gegen andere Funktionen abzuwägen. Wissenschaftler in Halle und Bern gingen dem Phänomen auf die Spur.

Pflanzen können ihren begrenzten Nahrungs- und Energiehaushalt optimieren, indem sie die Kosten und den Nutzen verschiedener Funktionen abwägen. Sie sind insbesondere bei der Abwehr von Fraßfeinden zu so genannten „Trade-offs“ in der Lage: zu Kompromissen zwischen Kosten und nützlichen Eigenschaften. Dies bestätigten Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) in Halle und des Botanischen Instituts der Universität Bern in einem gemeinsamen Experiment.

Vielfältige Formen der Selbstverteidigung

Die Forscher gingen der Frage nach, warum Pflanzen bei den Abwehrmechanismen gegen Fraßfeinde eine so große Vielfalt entwickelt haben. Sie untersuchten die bei Evolutionsforschern verbreitete Hypothese, nach der diese hohe Varianz mit „Trade-offs“ zusammenhängt, die je nach Pflanzenart, Umfeld und Bedrohungslage zu anderen Strukturen führen. Pflanzen wägen demnach die Entwicklung eines Verteidigungssystems mit anderen Funktionen ab, vor allem dem Wachstum und der Konkurrenzstärke gegenüber anderen Pflanzen.

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Für das Experiment wurden Pflanzen aus 58 verschiedenen Arten in Gewächshäusern angepflanzt, darunter 18 Wildpflanzen- und 40 Zierpflanzenarten. Bei jeder Art wurden die Wachstumsrate und Konkurrenzstärke ermittelt und mit den Abwehrmechanismen in Beziehung gesetzt. Dabei ist grundsätzlich zwischen zwei Strategien der Selbstverteidigung zu unterscheiden: der konstitutiven, dauerhaften Abwehr (zum Beispiel durch Haare, Stacheln und Dornen) und der induzierten Abwehr, die nur im Falle einer Bedrohung angewendet wird (zum Beispiel durch chemische Stoffe).

Hungrige Raupen als Indikatoren

Zur Messung der Abwehrmechanismen setzten die Forscher pflanzenfressende Raupen auf die Versuchsobjekte. Je nach Gewichtszunahme der Tiere wurde auf eine bessere oder schlechtere konstitutive Pflanzenabwehr geschlossen. Dabei galt: Je stärker die Raupe beim Fressen zunahm, desto schlechter war die Grundabwehr der Pflanze. Um zudem die induzierte Abwehr zu messen, wurden Raupen auf bereits angefressene Pflanzen gesetzt. Ging es den Raupen auf diesen beschädigten Pflanzen schlechter als auf intakten, war die Pflanzenart in der Lage, eine zusätzliche Abwehr als Reaktion auf den vorherigen Befraß zu induzieren.

Weniger Abwehr für mehr Erfolg

Die Forscher stellten bei der Auswertung zunächst eine signifikante Beziehung zwischen der konstitutiven und der induzierten Abwehr fest: Pflanzenarten, die bereits über eine gute Grundverteidigung verfügten, investierten weniger in eine induzierte Abwehr und umgekehrt. Dieser „Trade-off“ konnte allerdings nur für Wildpflanzenarten bestätigt werden. Bei gezüchteten Pflanzen scheint der Effekt infolge menschlicher Selektion auf andere, primär ertragsrelevante Eigenschaften, verloren gegangen zu sein.

Weiterhin zeigten die Forscher, dass Pflanzenarten mit geringer konstitutiver Abwehr verstärkt in ihre Konkurrenzfähigkeit investieren. Damit erfüllen sie eine wichtige Voraussetzung für das Überleben in der Natur. Die geringe Grundabwehr wird im Falle einer Bedrohung durch eine starke induzierte Abwehr kompensiert. Ein „Trade-off“ konnte also auch für die Beziehung von Abwehr und Konkurrenzstärke bewiesen werden. Zwischen der Abwehrfunktion und der Wachstumsrate der Pflanzen war jedoch kein signifikanter Zusammenhang feststellbar.

Mit dem Experiment gelang es den Wissenschaftlern zu belegen, wie wichtig „Trade-offs“ bei der Abwehr von Fraßfeinden sind. Sie bestärken damit die Hypothese, dass die im Pflanzenreich getroffenen Kompromisse einen wichtigen Faktor für die Vielfalt von Abwehrstrategien darstellen. Mit anderen Worten: Pflanzen haben im Laufe der Evolution gelernt, Kosten und Nutzen ihrer Verteidigung in das bestmögliche Verhältnis zu setzen.

Natürliche Abwehrmechanismen sind wichtige Faktoren zur Sicherung von Pflanzenerträgen. Durch die vorliegende Studie wird die Vielfalt der Möglichkeiten aufgezeigt, auch Kulturpflanzen auf natürlichem Weg besser gegen Fraßfeinde zu schützen. Vor allem mit Blick auf eine Landwirtschaft, die sparsamer mit Energie, Dünger und Pflanzenschutzmitteln umgeht, bieten solche Ansätze vielfältige Optionen.