Können Pflanzen sich erkälten oder Fieber bekommen? ——Pflanzenangriff und -verteidigung

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Gao Kaixing (Institut für Mikrobiologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Da der Herbst spät Einzug hält und die Jahreszeiten von Herbst auf Winter wechseln, werden wir zwangsläufig mehr Niesen um uns herum hören und viele Menschen werden sogar Fiebersymptome haben. Dies wird als Immunreaktion bezeichnet und ist zugleich eine Stressreaktion des Menschen auf die äußere Umwelt, insbesondere auf das Eindringen pathogener Mikroorganismen.

Haben Sie jedoch schon einmal darüber nachgedacht, ob Pflanzen in einer solchen Umgebung auch auf eine Reihe von „Waffen“ wie etwa Immunreaktionen zurückgreifen, um sich zu verteidigen? Die Antwort ist ja. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über die Angriffs- und Verteidigungskämpfe zwischen Pflanzen und Eindringlingen.

Fernmagie: Synthese und Freisetzung von Sekundärmetaboliten

Als seltene Schätze der Natur kann man Pflanzen als flexible Krieger bezeichnen. Wenn sie mit der Invasion und dem Eindringen von Schädlingen und pathogenen Mikroorganismen konfrontiert werden, greifen sie auf „Magie“ mit großer Reichweite und „Waffen“ mit kurzer Reichweite zurück, um sich vor Schaden zu schützen.

Sekundäre Pflanzenstoffe sind eine Art pflanzenspezifischer „magischer“ Angriff. Es handelt sich um kleine organische Molekülverbindungen mit bestimmten Gerüchen, Geschmacksrichtungen und Toxizität. Sie lassen sich üblicherweise in drei Kategorien einteilen: Terpene, Phenole und stickstoffhaltige Verbindungen. Obwohl diese Substanzen für den Menschen unsichtbar und nicht greifbar sind, erfüllen sie vielfältige Funktionen. Sie liefern beispielsweise Frühwarnsignale, vertreiben fressende Insekten, locken natürliche Feinde an, verringern die Menge und Häufigkeit der Insektenfraßbewegungen, hemmen Wachstum und Entwicklung der Insekten, beeinflussen ihr Verdauungssystem und haben direkte Auswirkungen auf ihre „Fortpflanzung“. Sie können Pflanzen wirksam dabei helfen, Schädlinge zu vermeiden und Schäden zu reduzieren.

Abb. 1 Insekten haben eine verringerte Überlebensrate, nachdem sie sich von Pflanzen ernährt haben, die sekundäre Pflanzenstoffe produzieren

(Bildquelle: vom Autor bereitgestellt)

Die weitreichenden Abwehreffekte sekundärer Metaboliten manifestieren sich hauptsächlich in drei Aspekten:

Erstens können Pflanzen auf sekundäre Metabolite zurückgreifen, um den gesamten Körper in einen Zustand der Kampfbereitschaft zu versetzen. Im September 2018 entdeckten Forscher der Saitama University in Japan und der University of Wisconsin in den USA, dass Pflanzen nach einem Trauma Glutamat als Signalstoff für mechanische Schäden freisetzen und dadurch die pflanzeneigene systemische Abwehrreaktion im Voraus aktivieren und Schäden durch Pflanzenfresser reduzieren.

Zweitens können Pflanzen ihren „Freundeskreis“ auch durch die Abgabe von Duftsignalen vor drohender Gefahr warnen. So entdeckten Forscher mehrerer wissenschaftlicher Forschungseinrichtungen in Japan im März 2022, dass Minzblätter nach einem Angriff durch Pflanzenfresser beschädigt werden und chemische Verletzungssignale abgeben. In der Nähe gepflanzte Sojabohnen und Hirtentäschel reagieren auf dieses chemische Signal, indem sie die Expression von Abwehrgenen in den Blättern hochregulieren und so das Abwehrsystem gegen Pflanzenfresser aktivieren. Dadurch wird eine gemeinsame Resistenz der Pflanzen erreicht.

Drittens: Wenn Pflanzen das vorliegende Problem nicht lösen können, senden sie ein „Notsignal“, um Hilfe zu suchen. Forscher am Max-Planck-Institut für Ökologie in Deutschland haben 2010 entdeckt, dass Tabakpflanzen, wenn sie von Raupen gebissen werden, dazu angeregt werden, flüchtige Substanzen in den grünen Blättern freizusetzen. Dadurch werden die natürlichen Feinde der Raupen, die sogenannten „Käfer“, angelockt, die sich ihnen zum Fressen nähern und dabei ein Schauspiel nach dem Motto „Die Gottesanbeterin verfolgt die Zikade, ohne zu wissen, dass sich ein Pirol dahinter verbirgt“ aufführen.

Nahverteidigung: drei magische Waffen

Die „Fernmagie“ der Pflanzen ist nicht allmächtig. Es kann nicht allen Pflanzenfressern und Krankheitserregern widerstehen, die „gegen Wände kämpfen“. Zu diesem Zeitpunkt müssen sie über eine eng anliegende „Panzerung“ und Widerstandsstoffe im Körper verfügen, um eine Rolle spielen zu können. Die Abwehrmechanismen der Pflanzen lassen sich in drei Hauptteile unterteilen:

(1) Vorgefertigte Barrieren

Das dicke Epidermiswachs, die Kieselsäure und die harte Kutikula auf der Oberfläche der Pflanze bilden das Gerüst der Panzerung. Nadeln, Dornen, Haken, Haare und andere Strukturen werden zu einem Panzer verarbeitet, der die Gefahr des Fressens durch Tiere bzw. die durch Fressen verursachten Schäden wirksam verringert und auch das Eindringen von Krankheitserregern wirksam verhindern kann.

Abbildung 2 Vorgefertigte Barrieren auf Pflanzenoberflächen

(Fotoquelle: Veer Gallery)

(2) Pflanzenzellabwehr

Wenn der menschliche Körper von Krankheitserregern befallen wird, scheiden die weißen Blutkörperchen im Körper eine große Menge Zytokine aus, um die Eindringlinge anzugreifen. Diese Zytokine wirken als Pyrogene und sorgen dafür, dass der Körper große Mengen Wärme produziert, was zu Fiebersymptomen führt.

Das Gleiche gilt für intelligente Anlagen. Das Immunsystem der Pflanze kann die Oberflächenmerkmale von Krankheitserregern/Insekten erkennen und eine Reihe von Abwehrproteinen synthetisieren, um das Eindringen der Krankheitserreger zu blockieren. Sobald die Bedrohung tief ins „Mark“ eindringt, muss die Pflanze eine neue Verteidigungsreaktion einleiten, um sich zu schützen. Zu diesem Zeitpunkt scheiden die Eindringlinge eine Reihe von „Speeren“ (Effektorproteine) aus, um die Abwehrproteine ​​der Pflanze anzugreifen. Die Pflanze wiederum produziert „Schilde“ (Anti-Krankheitsproteine), um dem Angriff zu widerstehen. Die beiden Seiten beginnen einen erbitterten Kampf um „Aufklärung und Gegenaufklärung“.

Wenn Pflanzen Krankheitserreger nicht durch solche grundlegenden Abwehrreaktionen unterdrücken können, treiben sie gezielt Zellen im Umfeld der Infektionsstelle in den Selbstmord und unterdrücken so die Ausbreitung der Krankheitserreger. Dies kann als eine alternative Fieberreaktion von Pflanzen angesehen werden, die auch als allergische Nekrosereaktion von Pflanzen bezeichnet wird.

(3) Steuerung mikrobieller Gemeinschaften

Die Umgebung, in der Pflanzen wachsen, ist komplex und vielfältig, insbesondere an Stellen wie dem Boden rund um ihre Wurzeln und den Blattoberflächen, die mit der Luft in Kontakt kommen, wo sich häufig eine große Anzahl mikrobieller Gemeinschaften befindet. Im November 2019 stellten Forscher des Wageningen Ecological Research Center in den Niederlanden fest, dass bei einer Infektion von Pflanzen mit pathogenen Pilzen die mit den Pflanzen koexistierenden Bakteriengemeinschaften stattdessen antimykotische Wirkstoffe produzieren. Mit anderen Worten: Die endophytische Flora der Pflanze erkennt die Krankheitserreger und entwickelt eine Resistenz [4]. Zufällig entdeckten Forscher des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung in Deutschland im Jahr 2021, dass Pflanzen bei Bedrohungen eine „Hilferuf“-Strategie entwickeln, um nützliche Mikroorganismen im Boden zu rekrutieren, die ihnen bei der Verbesserung ihrer Verteidigungsfähigkeiten helfen [5]. Diese neuen Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die mikrobiellen Ressourcen in der Pflanzenumgebung in Zukunft als nützliches Mittel zum umweltfreundlichen und ungiftigen Pflanzenschutz dienen können.

Aus dem obigen Inhalt können wir ersehen, dass Pflanzen sich zwar nicht wie Tiere frei bewegen können, um Schaden zu vermeiden, dass sie sich aufgrund ihrer Eigenschaften des festen Wachstums jedoch im Laufe der Evolution viele hochentwickelte Schutzmethoden aneignen konnten, indem sie Angriffe aus großer Entfernung und Verteidigung aus kurzer Entfernung kombinieren, um sich den geeignetsten Verteidigungsmechanismus zu verschaffen.

Derzeit bedarf es noch weiterer Forschung, um die Abwehrmechanismen der Pflanzen zu verstehen. Große Weisheit ist oft in kleinen Leben verborgen. Durch den sinnvollen Einsatz der pflanzeneigenen Abwehrmechanismen können wir Nutzpflanzen auf umweltfreundliche, sichere und wirksame Weise schützen, wirtschaftliche Produktionsverluste verringern und die Ernährungssicherheit gewährleisten. Wir freuen uns auch darauf, dass in Zukunft noch ausgefeiltere Mechanismen erforscht und entdeckt werden.

Herausgeber: Sun Chenyu

Quellen:

【1】Toyota M, Spencer D, Sawai-Toyota S, Jiaqi W, Zhang T, Koo AJ, et al. Glutamat löst über große Entfernungen hinweg kalziumbasierte Abwehrsignale der Pflanze aus. Wissenschaft. 2018;361:1112-15. https://doi.org/doi:10.1126/science.aat7744

【2】Onosato H, Fujimoto G, Higami T, Sakamoto T, Yamada A, Suzuki T, et al. Anhaltende Abwehrreaktion durch flüchtige Signale und deren epigenetische Transkription. Pflanzenphysiologie. 2022; 189:922-33. https://doi.org/10.1093/plphys/kiac077.

【3】Allmann S, Baldwin IT. Insekten verraten sich in der Natur Fressfeinden durch die schnelle Isomerisierung flüchtiger Bestandteile grüner Blätter. Wissenschaft. 2010; 329:1075-78. https://doi.org/doi:10.1126/science.1191634.

【4】Carrión VJ, Perez-Jaramillo J, Cordovez V, Tracanna V, de Hollander M, Ruiz-Buck D, et al. Durch Pathogene induzierte Aktivierung krankheitsunterdrückender Funktionen im endophytischen Wurzelmikrobiom. Wissenschaft. 2019;366:606-12. https://doi.org/doi:10.1126/science.aaw9285.

【5】Hou S, Thiergart T, Vannier N, Mesny F, Ziegler J, Pickel B, et al. Ein Mikrobiota-Wurzel-Spross-Kreislauf begünstigt bei suboptimalem Licht das Wachstum der Arabidopsis gegenüber der Abwehr. Naturpflanzen. 2021;7:1078-92. https://doi.org/10.1038/s41477-021-00956-4.