Doppelte Duftaufnahme: Pflanzen «riechen» auf zwei Wegen

Pflanzen können Duftstoffe wahrnehmen, die von anderen Pflanzen ausgesendet werden, wenn diese durch Schadinsekten befallen sind. Sobald Pflanzen diese Warnsignale empfangen, aktivieren sie ihre Abwehrsysteme, um sich besser verteidigen zu können. Obwohl viele Pflanzenarten diesen Trick beherrschen, weiss man bis heute nicht genau, wie er funktioniert. Können Pflanzen riechen wie Menschen und Tiere, oder verwenden sie andere Mechanismen, um Duftstoffe aufzunehmen und zu erkennen? Bisher ging die Forschung davon aus, dass Pflanzen Duftstoffe vor allem über ihre geöffneten Spaltöffnungen auf der Blattoberfläche aufnehmen. Diese winzigen Spaltöffnungen auf der Blattoberfläche brauchen Pflanzen, um CO₂ aus der Luft aufnehmen und mit der Photosynthese energiereiche Stoffe wie Zucker aufzubauen, die sie für Wachstum und Stoffwechsel benötigen.

Eine neue internationale Studie unter der Leitung von Prof. Dr. Matthias Erb vom Institut für Pflanzenwissenschaften der Universität Bern zeigt anhand von Pflanzen, die besonders effizient mit Wasser umgehen (Sukkulenten) der Gattung Kalanchoë laxiflora, dass Pflanzen Duftstoffe nicht nur über ihre Spaltöffnungen, sondern auch über die Blattoberfläche aufnehmen können. Die Forschenden weisen damit erstmals nach, dass diese Sukkulente über zwei sich gegenseitig ergänzende Aufnahmewege verfügt. Selbst wenn die Spaltöffnungen nahezu vollständig geschlossen sind, nimmt die Pflanze rund 20 bis 30 Prozent der Duftstoffe direkt über die Blattoberfläche auf. Die Studie trägt dazu bei, besser zu verstehen, wie Pflanzen Duftstoffe wahrnehmen, und eröffnet langfristig neue Ansätze für einen gezielteren Pflanzenschutz mit weniger Pestiziden. Die Studie wurde in Current Biology veröffentlicht.

Pflanze mit besonderen Eigenschaften

Im bisherigen wissenschaftlichen Konsens galt die Aufnahme über die Spaltöffnungen als der zentrale Weg, über den Duftsignale in die Blätter der Pflanzen gelangen. Eine zusätzliche Aufnahme über die Blattoberfläche wurde zwar vermutet, ihr wurde aber wenig Bedeutung beigemessen – auch, weil sich Spaltöffnungen bisher kaum gezielt beeinflussen liessen, ohne gleichzeitig die Photosynthese und damit den gesamten Stoffwechsel der Pflanze zu verändern. Dieses Problem umging die Forschungsgruppe, indem sie für ihre Untersuchung die Blattsukkulente Kalanchoë laxiflora nutzte, die eine Besonderheit aufweist: Die Pflanze bildet junge Blätter, die ihre Spaltöffnungen am Tag öffnen und nachts schliessen. Gleichzeitig verfügt sie über reifere Blätter, die es umgekehrt machen und ihre Spaltöffnungen in der Nacht öffnen. Dadurch spart die Pflanze Wasser, da nachts weniger Wasser über die Spaltöffnungen verdunstet als tagsüber. «Dank dieser Eigenschaft konnten wir im Detail messen und kontrollieren, wie die Spaltöffnungen die Duftstoffaufnahme und die Aktivierung der Abwehr beeinflussen», erklärt Matthias Erb. Zusätzlich setzten die Forschenden Hormonbehandlungen und genetisch veränderte Kalanchoë-Pflanzen mit veränderter Blattoberfläche ein, um die Rolle der verschiedenen Aufnahmewege genauer zu testen.

Fein angepasste Aufnahme von Duftstoffen

Einerseits bestätigt die Studie die bisherige Annahme, dass Pflanzen Duftstoffe vor allem über ihre Spaltöffnungen aufnehmen. Zugleich zeigt sie aber erstmals, dass die Sukkulente selbst bei geschlossenen Spaltöffnungen noch rund 20 bis 30 Prozent der Duftstoffe aufnimmt. «Durch eine Reihe von detaillierten Versuchen und Modellierungen konnten wir zeigen, dass diese Aufnahme über die Blattoberfläche erfolgt», erklärt Hao Yu, Erstautor der Studie und Post Doc am Institut für Pflanzenwissenschaften der Universität Bern. Sie findet insbesondere über die Wachsschicht (Cuticula) und die darunterliegenden Zellschichten der Pflanze statt. Wird die Cuticula künstlich ausgedünnt oder die Struktur der äussersten Zellschicht des Blattes, unter der sogenannten Epidermis, die gemeinsam mit der Cuticula die «Haut» der Pflanze bildet, verändert, nimmt das Blatt deutlich mehr Duftstoffe auf.

Weiter zeigt die Studie, dass die Pflanze auch durch die Duftstoffaufnahme über die Blattoberfläche die Signale stark genug wahrnimmt, um ihre Abwehr rechtzeitig zu aktiviert. «Spannend ist, dass die Pflanze diese Aufnahme offenbar reguliert: Wenn die Spaltöffnungen geschlossen sind, steigt die Aufnahme über die Oberfläche an, und ein bestimmtes Hormon scheint diesen Weg zusätzlich zu verstärken», erklärt Erb.

Möglicher Beitrag zum Pflanzenschutz

Die Fähigkeit von Pflanzen, Duftstoffe wahrzunehmen, fasziniert Menschen seit langem – sie ist gewissermassen das olfaktorische Sinnesorgan der Pflanzen. Die neue Studie löst einen wichtigen Teil dieses Rätsels. «Unsere Untersuchung an der Kalanchoë laxiflora zeigt, dass die Duftstoffwahrnehmung der Pflanzen robuster ist als bislang angenommen», sagt Erb. «Die Sukkulente kann Warnsignale ihrer Nachbarn auch bei geschlossenen Spaltöffnungen über den zweiten komplementären Aufnahmeweg, beispielsweise in der Nacht, bei Trockenheit oder unter Hitzestress wahrnehmen und gezielt darauf reagieren.»

Langfristig könnte dieses Wissen auch für die Landwirtschaft von Bedeutung sein. Ein besseres Verständnis der Duftstoffwahrnehmung und der dadurch ausgelösten natürlichen Abwehr könnte dazu beitragen, Kulturpflanzen gezielter und umweltfreundlicher vor Schädlingen zu schützen. «Denkbar wäre etwa, natürliche Duftstoffe einzusetzen, um Pflanzen zum richtigen Zeitpunkt zu einer passenden Abwehrreaktion anzuregen», sagt Yu.

Berner Expertise und modernste Messtechnik

Die Studie knüpft an die langjährige Expertise der Universität Bern im Bereich der Pflanzen-Umwelt-Interaktionen und insbesondere der Pflanzenduftstoffe an. «Die Universität Bern ist in diesem Forschungsgebiet führend», sagt Erb. Möglich wurde die Studie durch die Verbindung der Expertise am Institut für Pflanzenwissenschaften der Stomata Biologie, die Kalanchoë laxiflora als Modellpflanze etabliert hat, und einer eigens aufgebauten Infrastruktur zur Messung von Duftstoffen in der Gruppe Biotische Interaktionen. «Diese Kombination von Fachwissen und Infrastruktur ist einzigartig an der Universität Bern», ergänzt Heike Lindner, Mitautorin der Studie und Assistenzprofessorin am Institut für Pflanzenwissenschaften, die mit ihrer Forschungsgruppe die Zusammenhänge zwischen der besonderen Blattanatomie und der wassersparenden Photosynthese in Sukkulenten untersucht. Die vollständige Entschlüsselung der pflanzlichen Duftstoffwahrnehmung ist ein zentrales Ziel der Berner Forschung. «Aufbauend auf den aktuellen Ergebnissen untersuchen wir nun, welche spezifischen Moleküle als aktive Signale wirken und ob Pflanzen eigene Rezeptoren für diese Duftstoffe besitzen», sagt Erb.