Teufelszwirn: Schmarotzer und dennoch Alarmüberträger bei Insektenbefall

24. Juli  2017    Nr. 7/2017 (178)

Wirtspflanzen nutzen parasitisches Netzwerk für die Weitergabe von Warnsignalen vor gefräßigen Insekten

Ein Team von Wissenschaftlern des Kunming Instituts für Botanik in China und des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena hat entdeckt, dass parasitische Pflanzen der Gattung Cuscuta (Teufelszwirn) ihren Wirtspflanzen nicht nur Nährstoffe entziehen, sondern bei Insektenbefall auch wichtige Nachrichtenüberträger zwischen benachbarten Pflanzen sind.  Der Teufelszwirn verbindet verschiedene Pflanzen über sein parasitisches Netzwerk. Wird eine vom Teufelszwirn bewachsene Pflanze von Insekten attackiert, werden auch in nicht-befallenen Nachbarpflanzen Verteidigungs-gene aktiviert, die diese Pflanzen warnen und somit resistenter gegen ihre Fressfeinde machen (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Juli 2017).

In der Natur umschlingt das Geflecht des Teufelszwirns verschiedenste Pflanzenarten. Über das Geflecht der Schmarotzerpflanze werden auch Informationen zum Schädlingsbefall ausgetauscht, die von ökologischem Nutzen für die Wirtspflanzen sind. Foto: Jingxiong Zhang, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Pflanzen der Gattung Cuscuta haben vielsagende Trivialnamen, wie Hexenseide oder Teufelszwirn. Sie sind sogenannte Vollschmarotzer, wachsen also ohne Bodenkontakt auf ihren Wirtspflanzen, mit denen sie sich über Saugorgane verbinden und ihnen alle notwendigen Nährstoffe entziehen. Dabei befällt ein Teufelszwirn mehrere Pflanzen gleichzeitig und verbindet sie netzartig miteinander.

Der Parasit Cuscuta australis (Südliche Seide) verbindet zwei Sojapflanzen. Foto: Jingxiong Zhang, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Wissenschaftler um Jianqiang Wu vom Kunming Institut für Botanik  in China und Ian Baldwin vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena haben jetzt die ökologische Bedeutung des Teufelszwirns genauer unter die Lupe genommen. Sie wollten wissen, ob der Teufelszwirn nicht nur das pflanzliche Versorgungssystem anzapft, sondern auch in die Kommunikation zwischen verschiedenen Pflanzen eingebunden ist.

„Wir wissen, dass Pflanzen über gasförmige Substanzen und unterirdische Pilznetzwerke miteinander kommunizieren können. Daher fragten wir uns, ob der Teufelszwirn bei Insektenbefall entsprechende Signale von Pflanze zu Pflanze überträgt, und wenn ja, ob diese Signale Verteidigungsbereitschaft vermitteln“, erläutert Jianqiang Wu, der am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie als Doktorand und anschließend Arbeitsgruppenleiter arbeitete und in China nun eine Max-Planck-Partnergruppe leitet.

In der Landwirtschaft ist der Teufelszwirn als Schädling in der Futtermittelproduktion bekannt, denn er verursacht bedeutende wirtschaftliche Schäden beim Anbau von Luzerne und Klee. In China ist der parasitische Teufelszwirn für große Ernteeinbußen beim Anbau von Sojabohnen verantwortlich. Entsprechend nutzten die Forscher für Ihre Experimente Sojabohne; aber auch Ackerschmalwand, Tabak und wilde Tomate wurden paarweise oder in Gruppen über den Teufelszwirn verbunden. Für das Auslösen von Abwehrreaktionen wurden Raupen des weltweit verbreiteten Pflanzenschädlings Spodoptera litura auf eine der Pflanzen gesetzt.

Durch die Analyse des Transkriptoms, also aller aktiven Gene in den Blättern der über den Teufelszwirn verbundenen Pflanzen mittels Sequenzierung („Gesamt-Transkriptom-Shotgun-Sequenzierung), konnten die Forscher zeigen dass von Insekten befallene Pflanzen Signale über Teufelszwirn-Brücken an ihre Nachbarpflanzen weiterleiten. „Die Signalübertragung wurde offenkundig, da wir große Veränderungen im Transkriptom lokal befallener Blätter,  aber auch nicht-befallener Blätter derselben Pflanze sowie von Blättern benachbarter Pflanzen ohne Befall beobachten konnten“, erklärt Erst-Autor Christian Hettenhausen, früher ebenfalls Mitarbeiter am Max-Planck-Institut in Jena. „Die Vermittlung von Verteidigungsbereitschaft über das Teufelszwirngeflecht hängt maßgeblich vom Pflanzenhormon Jasmonsäure ab. Wir konnten höhere Konzentration von Abwehrsubstanzen in kurzer Zeit über mehrere miteinander verbundene Pflanzen hinweg, sogar über größere Entfernungen nachweisen“, erklärt Jianqiang Wu die weiteren Ergebnisse. Die Übertragung der Warnsignale erfolgt sogar zwischen verschiedenen Pflanzenarten.

Die Forscher  wollen die Signalübertragung zwischen Pflanzen mittels Parasitenbrücke nun weiter erforschen. Da in der vorliegenden Arbeit blätterfressende Raupen als Schädlinge eingesetzt wurden, möchten die Wissenschaftler untersuchen, ob stechende und saugende Insekten wie beispielsweise Blattläuse ein anderes Repertoire an Verteidigungssignalen auslösen, und wie diese wiederum vom Teufelszwirn übertragen werden. Außerdem möchten sie herausfinden, welche Substanzen für die Signalübertragung über den Teufelszwirn verantwortlich sind. Ian Baldwin fasst zusammen: „Ökologische Wechselbeziehungen in der Natur sind äußerst vielschichtig. So stiehlt ein Schmarotzer seinem Wirt wertvolle Nährstoffe, agiert aber auch als wichtiges Bindeglied, um Nachbarn zu warnen. Ob diese Warnung nur uneigennützig ist, müssen weitere Studien klären.“ [AO/KG]


Originalveröffentlichung:

Hettenhausen, C., Li, J., Zhuang, H., Sun, H., Xu, Y., Qi, J., Zhang, J., Lei, Y., Qin, Y., Sun, G., Wang, L., Baldwin, I.T., Wu, J. (2017). The stem parasitic plant Cuscuta australis (dodder) transfers herbivory-induced signals among plants. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America.
DOI: 10.1073/pnas.1704536114

Weitere Informationen:

Prof. Dr. Ian Baldwin, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Str. 8, 07743 Jena, +49 3641 57-1122, E-Mail baldwin [at] ice.mpg.de

Prof. Dr. Jianqiang Wu, Department of Economic Plants and Biotechnology, Yunnan Key Laboratory for Wild Plant Resources, Kunming Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Kunming 650201, China, +86 871 65229562, E-Mail wujianqiang [at] mail.kib.ac.cn


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