Wie Pflanzen sich zu einem Netzwerk zusammenschließen
Baku, 4. Januar, AZERTAG
Eine Pflanze kann weder weglaufen noch laut um Hilfe rufen. Doch auch wenn sie mit ihrem Standort fest verwurzelt ist, den Angriffen von Feinden ist sie nicht hilflos ausgeliefert. Im Laufe der Evolution hat sie gelernt, sich gegen böswillige Attacken zu wehren.
Krankheitserreger richten sich vor allem gegen die Proteine der Pflanze, denn diese steuern die Abwehr. Das Proteinnetzwerk ist zugleich auch das Kommunikationszentrum. Wie Erreger und Pflanze über die Proteine miteinander interagieren, haben Wissenschaftler an der Technischen Universität München bei der Ackerschmalwand, einer weltweit verbreiteten Wildpflanze, untersucht.
„Wenn man sich die Proteinnetzwerke ansieht, findet man viele Gemeinsamkeiten mit sozialen Netzwerken im Web“, sagt Pascal Falter-Braun, Leiter der Forschergruppe für Systembiologie der Pflanzen. „Auch unter den Proteinen gibt es gute Netzwerker, die mit vielen anderen Proteinen in Kontakt stehen - und daneben auch solche, die weniger interaktiv sind.“ Auf die aktiven Netzwerker, also die Proteine an den Schaltstellen wichtiger Signalpfade, haben es die Eindringlinge abgesehen. Ihre Strategie: Ziele immer auf denjenigen mit den meisten Verbindungen. Genauso verbreiten sich auch Schadprogramme und Mobbingattacken über das Internet. „Da die Erreger die Pflanze bei einem Angriff möglichst effektiv schwächen wollen, versuchen sie die Schaltzentralen der Zelle unter Kontrolle zu bekommen, also Proteine mit möglichst vielen ‚Freunden‘ im Netzwerk“, erläutert Falter-Braun.
Aus früheren Studien verfügen die Wissenschaftler über eine erste Karte des Proteinnetzwerkes der Ackerschmalwand. Es besteht aus mehr als 6000 Wechselbeziehungen. Die Forscher brachten Ackerschmalwandpflanzen und Krankheitserreger - ein Bakterium und zwei Pilze - im Labor zusammen. Dann analysierten sie bei Pflanzen und Parasiten, welche Proteine aktiv waren und verglichen das Muster mit dem Ausgangszustand. So konnten sie nachweisen, dass es verschiedenartige Erreger immer auf die gleichen Schaltstellen im Kommunikationszentrum der Pflanzellenzelle abgesehen haben. Sie zielen stets auf jene Proteine, die mit besonders vielen anderen im Abwehrnetz der Pflanze zusammenarbeiten.
Gegen diese üble Taktik haben Pflanzen im Laufe der Evolution einen Trick gelernt, der ihrer Art das Überleben sichert. Sie bauen ihr Abwehrnetz ständig um. Mit zufälligen Veränderungen in der Nachbarschaft der zentralen Proteine weichen sie den Attacken aus.
Doch auch mehrere Pflanzen untereinander können sich zu einem Netzwerk zusammenschließen. Sie leisten sich sozusagen Nachbarschaftshilfe. Biologen nennen es scherzhaft das „Wood Wide Web“. Dabei nutzt etwa die Ackerbohne das unterirdische Wurzelgeflecht, das sie mit einem Pilz teilt. Wie dieses soziale Netzwerk funktioniert, haben Forscher von der britischen Universität in Aberdeen untersucht.
Bekannt ist, dass Pflanzen es bestimmten Pilzen gestatten, ihre Wurzeln anzuzapfen. Die sogenannten Mycorrhiza-Partner schließen so einen Pakt zum gegenseitigen Nutzen. Der unterirdisch lebende Pilz profitiert von Nährstoffen wie Kohlenhydraten, welche die Pflanze mithilfe der Fotosynthese erzeugt. Die Pflanze erhält vom Pilz Mineralstoffe, die dieser aus dem Boden aufbereitet.
Wie die Forscher entdeckten, nutzen Ackerbohnenpflanzen das bis zu hundert Quadratmeter große Pilzgeflecht auch für den Signalverkehr. Bekannt ist bereits länger, dass Pflanzen bei einem Schädlingsbefall Botenstoffe über die Luft aussenden. So warnen sie Pflanzen in der Nähe, die dann die Produktion von Botenstoffen ankurbeln, mit denen sie bestimmte Wespen, die Fressfeinde von Läusen, herbeirufen. Um diesen Weg der Warnung zu blockieren, packten die Forscher von Läusen befallene Ackerbohnen in Plastiktüten. Signalstoffe konnten so nicht über die Luft zu den Nachbarn gelangen.
Dennoch beobachteten die Wissenschaftler, dass unverletzte Ackerbohnenpflanzen in der Nähe innerhalb von 24 Stunden damit begannen, Abwehrmechanismen zu aktivieren. Wie sich herausstellte, waren alle über die Pilzfäden im Boden mit den attackierten Pflanzen verbunden. „Sie hatten ihre Artgenossen über das Pilzinternet gewarnt“, berichten die Forscher.
Kein Einzelfall, wie Stefan Hempel, Mycorrhiza-Experte am Dahlem Center of Plant Sciences an der Freien Universität Berlin, berichtet. Auch Tomaten, die mit Mycorrhiza-Pilzen zusammenleben, nutzen das unterirdische Kommunikationsnetz, um sich vor dem Befall mit Mehltaupilzen zu warnen. Das Traubenkraut, auch bekannt als Ambrosia, fördert das Pilznetz durch einen intensiven Kontakt mit seinen Wurzeln, wenn es erkennt, dass sich Artgenossen in der Nachbarschaft finden.
Pflanzen versenden aber auch gemeine Botschaften über das Web. Mit hemmenden Molekülen hält sich zum Beispiel die Studentenblume Artgenossen vom Leib, die mit ihr um Licht und Nährstoffe konkurrieren. „Da wartet noch so manche Überraschung auf uns“, sagt Hempel. Eine davon fand sich bereits in Versteinerungen von 400 Millionen Jahre alten Urfarnen, die im schottischen Rhynie entdeckt wurden. Unter dem Mikroskop offenbarte sich die Sensation: In dem wurzelartigen Gewebe der Farne wimmelte es von feinen Pilzfäden. Soziales Netzwerken über das Pilz-Web ist also keine Erfindung der Neuzeit. Schon zu einer Zeit, als Pflanzen erstmals den Schritt an Land wagten, bedienten sie sich dieser Kommunikationsform.
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