Skip to main content

PUBLIC RELEASE DATE: 2 Juli 2004

Überlebensstrategien in freier Natur

Freisetzungsversuche mit wildem Tabak liefern neue Erkenntnisse über komplexe Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und ihren Feinden



Abb. 1: Empoasca sp. ist eigentlich kein Schdling des wilden Tabaks (Nicotiana attenuata). Allerdings ernhrt und reproduziert er sich erfolgreich auf gentechnisch vernderten Tabakpflanzen, in denen eine bestimmte Lipoxygenase (LOX3) herunterreguliert wurde. Dieses Schlsselenzym wird von der Pflanze bentigt, um Signale zu produzieren, die ihre Verteidigungsreaktionen auslsen. Pflanzen, die wenige oder gar keine dieser Lipoxygenasen produzieren, knnen sich weder direkt noch indirekt gegen den Angriff des Pflanzenfressers verteidigen. Dieses Ergebnis zeigt, dass das Merkmal, Verteidungsreaktionen auslsen zu knnen, auch festlegt, ob und welche Arten von Herbivoren eine Pflanze am Ende befallen. Der untere Teil des Bildes zeigt den durch Empoasca sp. verursachten Fraschaden an einer der transgenen Tabakpflanzen.
Bild: Max-Planck-Institut fr chemische kologie; A. Kessler

Full size image here

Pflanzen sind ein wesentlicher Bestandteil von kosystemen und Grundlage fr die Ernhrung einer wachsenden Weltbevlkerung. Sie stehen jedoch in einem tglichen berlebenskampf mit Tausenden von Mikroben- und Insektenarten. Ihre Abwehrstrategien sind uerst komplex - erst ein detailliertes Verstndnis dieser komplexen Wechselwirkungen wird eine wirklich kologische Landwirtschaft ermglichen. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts fr chemische kologie in Jena haben jetzt bei Pflanzen des wilden Tabaks einen Signalweg genetisch unterbrochen, der bei Bissschden verursachte Verteidigungsmechanismen der Pflanzen vermittelt. Bei der Freisetzung der Tabakpflanzen entdeckten die Forscher einen bisher unbekannten Effekt: Die Pflanzen waren durch den Eingriff nicht einfach nur gegenber ihren traditionellen Frafeinden geschwcht, sondern wurden nun auch von bisher gar nicht mit ihnen in Zusammenhang gebrachten Insekten befallen. Welche Schdlinge eine Pflanzen befallen, hngt also nicht nur davon ab, wie diese schmeckt (chemischer Phnotyp), sondern auch, auf welche Weise sich die Pflanze gegen ihre Feinde wehren kann. Diese Forschungsergebnisse zeigen erneut, welchen Wert genetisch vernderte Pflanzen fr die Erforschung der sensiblen und uerst komplexen Gleichgewichte in einem natrlichen kosystem haben (Sciencexpress, 1. Juli 2004).

Wissenschaftler sind sich darin einig, dass eine umweltvertrglichere Landwirtschaft ein tieferes Verstndnis der Interaktionen zwischen Pflanzen, Insekten und Mikroben in einem kosystem voraussetzt, und dass genetische Merkmale von Pflanzen, die fr die Resistenz gegen Frafeinde von Bedeutung sind, sehr komplex erscheinen. Diese Merkmale beziehen sich auf direkte Verteidigungsstrategien, die die Pflanze an sich schtzen, wie Toxine oder Stoffe, die ihre Verdaubarkeit im Darm der Insekten reduzieren. Es geht aber auch um indirekte pflanzliche Verteidigungsmechanismen, die sich der biotischen Umgebung bedienen, wie z.B. die Anlockung natrlicher Feinde derjenigen Pflanzenfresser, die die Pflanze gerade befallen. Diese Vielfalt an Merkmalen erschwert es kologen auerordentlich herauszufinden, worauf es im wilden Gerangel der freien Natur zwischen den verschiedenen Partnern wirklich ankommt.

Ein angemessenes Werkzeug, um jene genetischen Merkmale zu entschlsseln und auch beeinflussen zu knnen, die diese komplexen Interaktionen steuern, ist die genetische Transformation von Pflanzen. Die auf diese Weise vernderten Pflanzen werden gewhnlich nur unter Laborbedingungen untersucht, wodurch jedoch die Mehrzahl unbekannter biotischer und abiotischer Faktoren in der Natur von der Analyse ausgeschlossen wird. Deshalb mssen gentechnisch vernderte Versuchspflanzen - gerade bei kologischen Fragestellungen - auch im Freiland untersucht werden. Doch diese wichtige Bedeutung transgener Versuchspflanzen fr die Grundlagenforschung in der kologie knnte im Zuge der zurzeit polarisierten und ideologisierten Debatte ber die Verwendung gentechnisch vernderter Nutzpflanzen in der Landwirtschaft zum Opfer fallen. Die jetzt von den Jenaer Max-Planck-Wissenschaftlern verffentlichten Experimente hingegen zeigen einmal mehr, wie wichtig die Verwendung transgener Versuchspflanzen im Freiland fr die Gewinnung neuer Erkenntnisse ist.



Abb. 2: Die Jasmonat-Signalkaskade produziert zum einen Signale, die als indirekte Verteidigungsmechanismen funktionieren (z-3-Hexenal und Terpenoide) und Raubinsekten anlockt, die sich von Pflanzenfressern ernhren. Zum anderen entstehen auch chemische Botenstoffe (Jasmonsure), die die Produktion direkter Verteidigungsmittel in der Pflanze aktivieren, wie z. B. Nikotin und Proteinase-Inhibitoren. Nikotin ist ein Nervengift, whrend es sich bei den Proteinase-Inhibitoren um Proteine handelt, welche die Verdauungsenzyme der pflanzenfressenden Insekten hemmen.
Bild: Max-Planck-Institut fr chemische kologie

Full size image here

Die Forscher des Max-Planck-Instituts fr chemische kologie haben ein Pflanzenmerkmal entdeckt, das darauf Einfluss nimmt, welche Frafeinde eine Pflanze befallen knnen. Die Forscher machten diese Entdeckung, nachdem sie verschiedene Komponenten eines Signalweges, der die durch Bissverletzungen induzierte Abwehr in einer Wildpflanze vermittelt, gentechnisch beeinflussten und die transformierten Pflanzen wieder in ihren natrlichen Lebensraum in der Great Basin Wste in Utah, USA, eingepflanzten.

Konkret haben die Wissenschaftler in Pflanzen der wilden Tabakart Nicotiana attenuata den Gehalt der Enzyme LOX3, HPL und AOS heruntergeregelt (siehe Abb. 2). Alle drei Enzyme gehren zum so genannten Oxylipin-Signalweg und spielen eine Schlsselrolle bei der Wunderkennung und deren Signalwirkung innerhalb der Pflanze. Ihre Funktionsweise bei der Abwehr von Frafeinden wurde bislang jedoch nur im Labor untersucht. Bei der Freisetzung in ihren natrlichen Lebensraum waren die Pflanzen, in denen der Gehalt des LOX3-Enzyms vermindert war, gegenber den an N. attenuata angepassten Herbivoren wie erwartet geschwcht. Doch darber hinaus wurden zwei neue Arten von Frafeinden angelockt, die sich an den vernderten Pflanzen erfolgreich ernhrten und fortpflanzten.

Diese Beobachtungen im Freilandversuch zeigen, dass die Jasmonat-Signalkette darber entscheidet, welche Frafeinde sich die Wirtspflanzen als Nahrung auswhlen. Es sind also induzierte Verteidigungsmechanismen, die die Zusammensetzung der Herbivoren-Gemeinschaft beeinflussen. Damit kommt ein neuer Aspekt chemischer Abwehrmechanismen von Pflanzen zum Vorschein: Pflanzen, die in ihrem natrlichen Lebensraum wachsen, sind unerbittlich nicht nur von ganz bestimmten, sondern von allen pflanzenfressenden Insekten bedroht. Doch wir nehmen viele dieser potenziellen Angreifer einfach deswegen nicht wahr, weil wir sie normalerweise nicht an der Pflanze fressend vorfinden. Die mithilfe der transgenen Pflanzen gewonnen Ergebnisse zeigen nun, dass einige Herbivorenarten die Pflanzen anscheinend zuerst einmal darauf testen, ob sie als Nahrung geeignet sind. Reagiert die Pflanze auf diesen Test nicht mit einer chemischen Abwehr, wird sie sofort in die Speisekarte dieses Pflanzenfressers aufgenommen.

Fazit: Durch die Beeinflussung einzelner Gene in Wildpflanzen und die Beobachtung dieser Pflanzen in ihrem natrlichen Lebensraum knnen Wissenschaftler sehr viel ber die Herausforderungen lernen, denen Pflanzen in der freien Natur tatschlich ausgesetzt sind. Transgene Pflanzen ermglichen es, die genetischen Grundlagen zu erkennen, auf denen Lebensgemeinschaften von Pflanzen, Tieren und Insekten und ganze kosysteme basieren. Diese Experimente zeigen zudem den wissenschaftlichen Wert natrlicher Lebensrume an sich. Die Natur war und ist per se das "Labor" fr Naturforscher und kologen. "Mit dem verantwortungsvollen Einsatz von gentechnisch vernderten, einheimischen Pflanzen knnen unsere Kenntnisse ber natrliche Lebensrume also erheblich verbessert und wichtige Hinweise zu ihrer Erhaltung gewonnen werden", sagt Prof. Baldwin, Direktor der Abteilung Molekulare kologie am Max-Planck-Institut fr chemische kologie in Jena.

Die wilde Tabakart Nicotiana attenuata ist eine der Modellpflanzen, an der die Wissenschaftler der Abteilung Molekulare kologie des Max-Planck-Instituts fr chemische kologie in Jena forschen. Sie haben diese Wildpflanze ausgewhlt, weil sie sich eine kologische Nische gesucht hat, die den Anbaubedingungen von landwirtschaftlichen Nutzpflanzen sehr hnlich ist. Gelingt es den Wissenschaftlern also herauszufinden, wie sich diese Wildpflanze an die Lebensbedingungen in ihrer Nische angepasst hat, erffnen sich neue Mglichkeiten, auch die Anpassungsfhigkeit von Nutzpflanzen an ihre Umgebung zu verbessern und umweltvertrglichere landwirtschaftliche Praktiken zu entwickeln. Die jetzt verffentlichten Experimente zeigen, wie wichtig die Verwendung transgener Versuchspflanzen im Freiland fr die Gewinnung neuer Erkenntnisse ist. Vergleichbare Experimente sind deshalb auch in Deutschland geplant.

###

Verwandte Links:

[1] Forschung in der Abteilung Molekulare kologie

[2] Wissenschaftliche Verffentlichungen ber Nicotiana attenuata

Originalverffentlichung:

Andr Kessler, Rayko Halitschke, Ian T. Baldwin
Silencing the Jasmonate Cascade: Induced Plant Defenses and Insect Populations
Sciencexpress, 1 July 2004