Die Studie ergab, dass verletzte Pflanzen bestimmte chemische Verbindungen abgeben, die in das innere Gewebe einer gesunden Pflanze eindringen und die Abwehrkräfte in ihren Zellen aktivieren können. Ein besseres Verständnis dieses Mechanismus könnte es Wissenschaftlern und Landwirten ermöglichen, Pflanzen gegen Insektenbefall oder Dürre zu schützen, lange bevor sie auftreten.
Die Studie sei das erste Mal, dass es Forschern gelungen sei, „die Kommunikation von Pflanze zu Pflanze zu visualisieren“, sagte Masatsugu Toyota, leitender Autor der Studie, die am Dienstag in Nature Communications veröffentlicht wurde. „Wir können dieses System wahrscheinlich kapern, um die gesamte Anlage zu informieren, verschiedene Stressreaktionen gegen eine zukünftige Bedrohung oder Umweltbedrohungen wie Dürre zu aktivieren.“
Die Idee „sprechender“ Bäume entstand in den 1980er Jahren. Zwei Ökologen platzierten Hunderte von Raupen und Spinnwürmern auf den Zweigen von Weiden und Erlen, um zu beobachten, wie die Bäume reagierten. Sie stellten fest, dass die befallenen Bäume anfingen, Chemikalien zu produzieren, die ihre Blätter unappetitlich und unverdaulich machten, um Insekten abzuschrecken.
Noch merkwürdiger war jedoch, dass die Wissenschaftler entdeckten, dass gesunde Bäume derselben Art, die 30 oder 40 Meter entfernt standen und keine Wurzelverbindungen zu den beschädigten Bäumen hatten, dieselben chemischen Abwehrkräfte aufbauten, um sich gegen eine Insekteninvasion zu wappnen. Ein anderes Wissenschaftlerpaar kam zu dieser Zeit zu ähnlichen Ergebnissen, als es beschädigte Zuckerahorn- und Pappelbäume untersuchte.
Diese frühen Forschungsteams hatten einen aufkeimenden Gedanken: Die Bäume sendeten einander chemische Signale durch die Luft, was heute als Pflanzenlauschen bekannt ist. In den letzten vier Jahrzehnten haben Wissenschaftler diese Zell-zu-Zell-Kommunikation bei mehr als 30 Pflanzenarten beobachtet, darunter Limabohne, Tabak, Tomate, Salbeisträucher und Blütenpflanzen aus der Familie der Senfgewächse. Aber niemand wusste bis jetzt, welche Verbindungen wichtig sind und wie sie wahrgenommen werden.
„Auf diesem Gebiet gab es solche Kontroversen“, sagte André Kessler, ein Pflanzenökologe, der nicht an der Forschung beteiligt war. „Erstens, wie diese Verbindungen im Allgemeinen aufgenommen werden [by the plant]und wie sie dann in der Lage sind, den Stoffwechsel der Pflanze als Reaktion auf ihre Wahrnehmung zu verändern.“
Diese Studie, sagte Kessler, habe dazu beigetragen, einige dieser seit langem bestehenden Fragen zu beantworten.
Pflanzen haben offensichtlich keine Ohren und Augen, aber frühere Untersuchungen zeigen, dass sie mit ihrer Umgebung kommunizieren, indem sie Chemikalien abgeben, die als flüchtige organische Verbindungen bekannt sind und die wir riechen können. Aber genauso wie Menschen so viele Wörter sprechen können, können Pflanzen eine Reihe dieser Verbindungen für unterschiedliche Zwecke produzieren. Einige werden zum Anlocken von Bestäubern oder zur Abwehr von Raubtieren eingesetzt.
Eine Klasse dieser Verbindungen wird jedoch freigesetzt, wenn eine Pflanze verletzt wird: flüchtige Bestandteile grüner Blätter. Diese werden, wie der Name schon sagt, von nahezu jeder grünen Pflanze mit Blättern abgegeben und entstehen, wenn eine Pflanze physischen Schaden erleidet. Ein Beispiel für diese Verbindung ist der Geruch von frisch geschnittenem Gras.
In der neuen Studie zerkleinerten Toyota und seine Kollegen manuell Blätter und platzierten Raupen darauf Arabidopsis Senf- oder Tomatenpflanzen, um die Emission verschiedener grünblättriger flüchtiger Stoffe auszulösen. Dann verteilen sie einzelne Dämpfe auf gesunde Pflanzen, um zu sehen, ob die Pflanzen reagieren würden.
Um die Reaktionen der gesunden Pflanzen zu verfolgen, veränderte das Team die Pflanzen genetisch so, dass Kalziumionen vorhanden waren fluoreszieren, wenn sie in einzelnen Zellen aktiviert werden. Die Kalziumsignalisierung ist für die Zellfunktionen der meisten lebenden Organismen auf der Erde, einschließlich des Menschen, wichtig. Wenn ein elektrisches Signal an unsere Motoneuronen gesendet wird, öffnen sich Ionenkanäle und lassen Kalzium ins Innere strömen. Dieser Anstieg des Kalziums kann die Freisetzung von Neurotransmittern auslösen, was zu einer Muskelkontraktion in einer Muskelzelle führt.
Laut Toyota spielt die Kalziumsignalisierung in Pflanzen eine ähnliche Rolle. Abhängig von der Pflanze kann sie Botschaften auslösen, um ihre Blätter zu schließen oder ein Insekt zu verdauen.
Nachdem das Team viele flüchtige Bestandteile grüner Blätter getestet hatte, stellte es fest, dass nur zwei die Kalziumionen in den Zellen zu erhöhen schienen. Darüber hinaus stellten sie fest, dass die Signalübertragung von Kalzium zunächst in den Schließzellen, die die Blattporen oder Stomata der Pflanze bilden, zunahm – ein wichtiger Befund, denn er zeigt, dass die Verbindungen in das innere Gewebe der Pflanze absorbiert werden.
„Sie können nicht einfach durch die Oberfläche der Pflanze sickern“, sagte Kessler, Professor an der Cornell University. „Sie müssen durch die Stomata gehen, [which] Ermöglichen Sie der Pflanze, tatsächlich Kohlendioxid einzuatmen und Sauerstoff für die Photosynthese auszuatmen.“
Die Kalziumsignalisierung sei, so Toyota, wie ein Schalter, um die Abwehrreaktionen der Pflanze einzuschalten. Nachdem die Signalübertragung zugenommen hatte, stellte das Team fest, dass die Pflanze die Produktion bestimmter Genexpressionen zum Schutz steigerte. Toyota sagte beispielsweise, dass die Pflanze anfangen könnte, bestimmte Proteine zu produzieren, um Insekten daran zu hindern, sie zu fressen, was bei den Insekten zu Durchfall führen würde.
„Wenn die Pflanze viele dieser Gene hat, sind sie jetzt sehr stark gegen die pflanzenfressenden Insekten“, sagte Toyota.
Mit diesem neuen Verständnis könnten Pflanzen laut Forschern gegen Bedrohungen und Stressfaktoren immunisiert werden, bevor diese überhaupt auftreten – das Äquivalent einer Impfung einer Pflanze. Wenn gesunde Pflanzen beispielsweise von Insekten befallenen Pflanzen oder den damit verbundenen flüchtigen Bestandteilen grüner Blätter ausgesetzt werden, könnten ihre genetischen Abwehrkräfte gestärkt werden, so dass Landwirte weniger Pestizide verwenden, sagte Kessler. Die Offenbarung könnte auch helfen Machen Sie Pflanzen während einer Dürre widerstandsfähiger und signalisieren Sie ihnen, mehr Wasser zu speichern.
„Wenn eine Pflanze früh in ihrem Leben der Dürre ausgesetzt ist, kommt sie besser mit der Dürre zurecht als eine Pflanze, die dieser Trockenheit nicht ausgesetzt war“, sagte Kessler. „Das liegt auch daran, dass sich der Stoffwechsel der Pflanze völlig verändert hat.“
Die Studie habe viele Samen für zukünftige Forschung gelegt, sagte Toyota. Zum Beispiel Forscher „Ich habe keine Ahnung“, warum nur zwei spezifische flüchtige Bestandteile grüner Blätter in die Spaltöffnungen gelangen und die Kalziumsignalisierung auslösen können. Der nächste Schritt besteht darin, die verschiedenen Rezeptoren in den Pflanzen zu identifizieren, die möglicherweise spezifisch für die chemische Struktur der beiden Verbindungen sind.
Als Reaktion auf Insektenbefall können Pflanzen auch spezifische Reaktionen hervorrufen, die auf der Art des Pflanzenfressers basieren, der sich von ihnen ernährt – ein beeindruckendes Verhalten, das Kessler weiter untersucht.
„Wenn diese Pflanze eine adaptive Reaktion auslösen kann … das ist die Definition von Intelligenz“, sagte Kessler. „Wenn man solche Dinge versteht und weiß, wie Pflanzen es tun, gelangt man auf eine Ebene, die in Frage stellt, wie wir die Welt verstehen.“