Der beste Angriff ist für einige fleischfressende Pflanzen eine großartige Verteidigung

Der beste Angriff ist für einige fleischfressende Pflanzen eine großartige Verteidigung

Salk-Wissenschaftler helfen zu erklären, wie sich pflanzliches Fleischfresser aus Abwehrmechanismen entwickelt hat

LA JOLLA – Insektenfressende Pflanzen faszinieren Biologen seit mehr als einem Jahrhundert, aber wie Pflanzen die Fähigkeit entwickelten, lebende Beute zu fangen und zu verzehren, ist weitgehend ein Rätsel geblieben. Jetzt haben Salk-Wissenschaftler zusammen mit Mitarbeitern der Washington University in St. Louis die molekularen Grundlagen pflanzlicher Fleischfresser untersucht und Beweise dafür gefunden, dass sie sich aus Mechanismen entwickelt haben, die Pflanzen zur Selbstverteidigung nutzen.

Die Studie wurde am 11. Juli 2022 in veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), beschreibt detailliert, wie sich Kalziummoleküle dynamisch innerhalb der Zellen in den Blättern fleischfressender Pflanzen als Reaktion auf die Berührung lebender Beute bewegen. Kalziumschwankungen führen zu Blattbewegungen zum Beutefang, wahrscheinlich durch eine Steigerung der Produktion von Abwehrhormonen. Die Ergebnisse erweitern das Verständnis der Wissenschaftler darüber, wie Pflanzen mit ihrer Umwelt interagieren.

„Wenn wir mehr darüber erfahren können, wie Pflanzen wie diese und andere sich an ihre einzigartige Umgebung angepasst haben, können wir diese molekularen Wege vielleicht in Zukunft ändern, um Pflanzen zu entwickeln, die unter härteren Bedingungen überleben können“, sagt Co-Hauptautor Professor Johanna Chory, Direktor des Plant Molecular and Cellular Biology Laboratory in Salk und Forscher am Howard Hughes Medical Institute.

Biologen haben herausgefunden, dass Pflanzen wie der Löffelblättrige Sonnentau (Sonnentau Spatel) haben sich wahrscheinlich an Fleischfresser angepasst, um unter nährstoffarmen Bedingungen zu überleben. Allerdings ist der Anbau von Sonnentau schwierig und ihre DNA wurde bis vor Kurzem nicht sequenziert, sodass Wissenschaftler Schwierigkeiten hatten, zu untersuchen, wie Fleischfresser auf zellulärer Ebene funktionieren. Sie waren sich auch nicht sicher, wie fleischfressende Pflanzen mit dem Beutefang verbundene Verhaltensweisen entwickeln, wie etwa Blattbewegungen und die Sekretion von Verdauungsenzymen.

„Fleischfressende Sonnentaupflanzen sind keine Modellorganismen“, sagt Carl Procko, Co-Erstautor der Arbeit und wissenschaftlicher Mitarbeiter im Plant Molecular and Cellular Biology Laboratory von Salk. „Weniger als eine Handvoll Labore auf der Welt waren bisher in der Lage, sie genetisch zu verändern, daher mussten wir neue Techniken erlernen, um sie genau zu untersuchen.“

Für diese Studie verwendeten die Wissenschaftler genetische Werkzeuge, um die dynamischen Veränderungen der Kalziummoleküle in den Blättern abzubilden, wenn Insektenbeute auf dem Blatt landete und dort von klebrigen Sekreten gefangen wurde. In nicht fleischfressenden Pflanzen spielt die Kalziumsignalisierung viele wichtige lebenserhaltende Rollen, beispielsweise die Auslösung des Jasmonsäure-Abwehrwegs, um unerwünschte Insektenschädlinge abzuwehren. Jasmonsäure reagiert auch auf elektrische Aktivität, die bei einigen fleischfressenden Pflanzen, einschließlich Sonnentau, ein entscheidendes Element beim Beutefang ist. Die Wissenschaftler wollten wissen, ob derselbe Abwehrweg nicht fleischfressender Pflanzen möglicherweise auch für das fleischfressende Verhalten des Sonnentaus erforderlich ist.

Das Team fand heraus, dass Veränderungen des Kalziums in der Pflanzenzelle für die Aktivierung von Genen erforderlich sind, auf die Jasmonsäure typischerweise abzielt, wenn sich das Blatt nach innen biegt und das Insekt in den Verdauungssäften einschließt. Die Forscher beobachteten außerdem, dass sich Sonnentaublätter weniger verbogen, wenn ihnen tote Beutetiere gegeben wurden und ihre Kalziumkanäle blockiert waren. Diese Ergebnisse zeigen, dass Kalzium die Beutefangreaktionen von Insekten unterstützt und stützen zusammen mit der Arbeit anderer die Idee, dass Jasmonsäure an der Insektenverdauung beteiligt ist

„Es war faszinierend zu sehen, wie diese Pflanzen auf mechanische Reize, die mit Beutetieren einhergehen, wie etwa Berührungen, reagieren“, sagt Ivan Radin, Co-Erstautor und Forschungswissenschaftler an der Washington University in St. Louis. „Die Fähigkeit, mechanische Kräfte zu spüren und darauf zu reagieren, ist etwas, was die meisten Menschen nicht mit Pflanzen in Verbindung bringen, insbesondere in dieser schnellen Zeitskala. Unsere Arbeit bietet ein schönes Bild dieser Tatsache.“

„Die Ergebnisse zeigen, dass auch Kalzium beteiligt ist und wahrscheinlich die Reaktionen auf Jasmonsäure verstärkt, ähnlich wie nicht-fleischfressende Pflanzen abwehrend auf mechanische Stimulation durch Schädlinge reagieren“, sagt Chory, Inhaber des Howard H. and Maryam R. Newman Chair in Plant Biologie. „Dies untermauert die Annahme, dass Fleischfresser im Sonnentau ein weiterentwickelter Abwehrmechanismus sein könnten.“

Als nächstes werden die Forscher ähnliche genetische Techniken anwenden, um andere fleischfressende Pflanzen zu untersuchen, die bisher zu schwer zu untersuchen waren. Sie hoffen, die molekularen Grundlagen der Beutefangmechanismen weiter zu untersuchen, um besser zu verstehen, wie sich Fleischfresser bei entfernt verwandten Arten entwickelt haben, und um herauszufinden, ob Nutzpflanzen von der Anpassung ihrer bestehenden Umwelt- und Insektenreaktionswege profitieren könnten, um in anspruchsvollen Umgebungen zu überleben.

Weitere Autoren waren Charlotte Hou von Salk; sowie Ryan Richardson und Elizabeth Haswell von der Washington University in St. Louis.

Diese Arbeit wurde von den National Institutes of Health (5R35GM122604) und einem Fakultätsstipendium der Howards Hughes Medical Institute-Simons Foundation (55108530) unterstützt.

DOI: 10.1073/pnas