Grüne Meister der Anpassung

Die Forschenden haben einige der molekularen Grundlagen der veränderten Reproduktion detailliert beschrieben. Dieses Wissen ist entscheidend, um zu verstehen, wie es einer Art gelingt, sich rasch an eine neue oder plötzlich anders fordernde Umgebung anzupassen. Die Entschlüsselungen der DNA-Veränderungen bei den kapverdischen Versuchen könnte die Pflanzenzüchtung und die nachhaltige Landwirtschaft gravierend beeinflussen. Denn schon in naher Zukunft wird nach Meinung von Experten mehr Nutzpflanzenzüchtung und -anbau in trockenheitsanfälliger Umgebung erforderlich sein.

Pflanzen in der Stadt

Auch in Städten lassen sich meisterhafte Anpassungsstrategien beobachten. Mehr und mehr Pflanzenarten, die karge, verarmte Böden bevorzugen und mit wenig Niederschlag auskommen, fühlen sich dort nicht weniger wohl als an ihren Ursprungsstandorten auf dem Land. In den urbanen Räumen ist es meist etwas wärmer und trockener, da die Verdunstungskühle größerer Waldbestände fehlt und darüber hinaus die Kanalisation Regenwasser sofort abtransportiert – wodurch deutlich weniger Niederschlag im Boden verbleibt als auf dem Land. So hat sich beispielsweise das aus Afrika eingeschleppte Schmalblättrige Greiskraut (Senecio inaequidens) – ursprünglich in den sandigen Böden Lesothos und am Südkap beheimatet – in Europas Städten erfolgreich etabliert. Dessen späte Blüte im Herbst zieht wiederum heimische Insekten in urbane Areale. Sie profitieren davon, dass die Nektarquelle bis tief in den Dezember hinein nicht versiegt – ein Genuss, in den Insekten hierzulande zu dieser Jahreszeit sonst höchst selten kommen.

An extreme Lebensbedingungen hat sich auch das Dänische Löffelkraut (Cochlearia danica) angepasst: Es besiedelt Straßenränder. Die Pflanze toleriert äußerst hohe Konzentrationen des winterlichen Streusalzes. Sie überlebt die toxische Saline, da sie als sogenannte salzliebende Pflanze (Halophyt) überschüssiges Salz über spezielle Drüsen wieder abgeben kann: Es fällt – manchmal sogar für das menschliche Auge sichtbar – in Form kristalliner Salzkörnchen aus. Zudem verkraftet das Löffelkraut große Hitze über asphaltierten Flächen, wo sich die Luft sogar in unseren Breiten bis auf 80 Grad Celsius erwärmen kann.

Solche Kleinstanpassungen an extreme Bedingungen, die auch als Mikroevolution bezeichnet werden, hat Sonja Knapp vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung in Halle (Saale) am Hasen-Pippau (Crepis sancta) erforscht. Die kleine, dem Löwenzahn ähnelnde, gelb blühende Pflanze aus der Familie der Asterngewächse hat sich in wenigen Generationen zügig an urbane Gegebenheiten adaptiert. Die auffälligste Veränderung besteht darin, dass die Samen der städtischen Variante immer häufiger einfach herunterfallen, während die Samen auf dem Land mit Fliegerschirmchen ausgestattet sind und durch die Luft segeln.

„Bei einer Vermehrung der Samen mithilfe von Fliegerschirmchen wäre das Risiko in der Stadt hoch, dass die Population einbricht“, sagt Knapp. Denn die Wahrscheinlichkeit für einen Samen, auf fruchtbaren Boden zu treffen, ist in der Stadt um ein Vielfaches geringer. Knapp fand heraus, dass der urbane Hasen-Pippau innerhalb von nur rund zwölf Jahren die Fähigkeit verloren hat, seine Samen mit Schirmchen auszustatten – ein Optimierungszeitraum, der mit Blick auf die „normale“ Dauer evolutiver Prozesse als rekordverdächtig kurz eingestuft werden kann.

Je heißer die Sommer werden, umso mehr müssen die Pflanzen reagieren – nicht nur in der Stadt. So haben Steinbrechgewächse in nur wenigen Generationen eine Lösung gefunden, mit Wassermangel umzugehen: wasserspeicherndes Gewebe an Stiel und Blättern. Das ist vor allem dort zu beobachten, wo der Boden großräumig erodiert, etwa in vielen Hochgebirgen. Herbstzeitlose oder Alpenveilchen wiederum scheinen neuerdings in größere Zwiebeln oder Knollen zu investieren, die mehr Wasser unterirdisch speichern können. Und wieder andere Pflanzen wie der Wein können mehrere Meter lange Wurzelsysteme ausbilden, um im Boden gebundenes Nass zu erreichen.

Abwehr mit Giften

Gifte sind eine oft genutzte Waffe von Pflanzen. In vielen Fällen kommen sie bei der Auseinandersetzung mit Beute oder Fressfeinden zum Einsatz. Die meisten toxischen Substanzen haben sich im Wechselspiel von Evolution und Ko-Evolution über lange Zeiträume herausgebildet. Doch bei manchen Pflanzen scheint auch zügigere Anpassung möglich zu sein. Der Wilde Tabak – er gehört wie Kartoffel und Tomate zu den Nachtschattengewächsen – verfügt von allen Pflanzen wohl über das spektakulärste Repertoire, sich an extreme Gegebenheiten anzupassen. Er besiedelt unterschiedliche Klimazonen und hat sich entsprechend vielfältig adaptiert.

Gegen Fressfeinde trägt die Tabakpflanze grundsätzlich Drüsenhaare auf der Oberseite der Blätter. Nagt eine Blattlaus die Blätter an, sondern die Härchen ein hellgrünes, klebriges Sekret ab. Das Insekt verfängt sich und stirbt. Eine weitere Strategie verfolgt die Pflanze dort, wo der Tabakschwärmer vorkommt. In weiten Teilen Nord- und Südamerikas hat sie gelernt, sich im richtigen Moment „unsichtbar“ zu machen: Die Tabakpflanze ändert ihren Eigenduft und hält die weißen Blüten nachts geschlossen, sodass der Falter sie nicht erkennt und keine Eier auf ihr ablegt.

In der Prärie Nordamerikas keimen die Tabaksamen erst nach einem Brand – ein Ereignis, das Jahre auf sich warten lassen kann. Der scheinbare Nachteil ist jedoch keiner: Schließlich ist die Konkurrenz nahezu komplett eingeäschert. Das ist zunächst zwar von Nachteil, denn nun konzentrieren sich die Fressfeinde weitgehend auf die Tabakpflanze. Doch die nutzt zu ihrer Verteidigung eine fulminante mehrstufige Strategie: Beginnen Insekten und andere Tiere an ihr zu fressen, synthetisiert die Tabakpflanze zunächst Jasmonsäure. Diese regt über mehrere Stoffwechselschritte die verstärkte Produktion von Nikotinmolekülen an, die die Pflanze in ihrem Organismus verteilt. Die Angreifer stoppen aufgrund der Vergiftungserscheinungen die Mahlzeit, manche sterben.

Feinde am Geruch erkennen

Jeder Fressvorgang ist mit mechanischen Schäden verbunden, die der Pflanze helfen, den Feind zu identifizieren. Dabei „erschmeckt“ sie freigesetzte oder im Pflanzengewebe hinterlassene chemische Verbindungen: Die Duftmuster geben der Pflanze Auskunft darüber, ob gerade Blattläuse oder Raupen fressen, und sind Auslöser spezifischer Abwehrmaßnahmen. Derzeit untersuchen Forschergruppen, wie die komplexen Duftmuster entstehen und ob sie womöglich aus beiden Quellen gespeist werden, sie also sowohl Moleküle des fressenden Feindes repräsentieren als auch solche, die die Pflanze im Zuge ihrer Verteidigung selbst produziert.

Während einzelne Verletzungen nur eine begrenzte Reaktion auslösen, kann eine kontinuierliche Folge selbst kleiner Verletzungen bei einigen Pflanzen ein Programm diverser Abwehrmaßnahmen stimulieren. Auch weiter entfernte Blätter reagieren dann mit Duftemission, sodass die Duftfahne verstärkt und über weitere Entfernung wirksam wird. Dies lockt Raubwanzen oder Schlupfwespen zur geschädigten Pflanze, die dort ihre Eier ablegen. Die schlüpfenden Larven ernähren sich vom Fressfeind und töten ihn schließlich.

Eine solch ausdifferenzierte und wirkungsvolle Steuerung der pflanzlichen Abwehr kannte man lange Zeit nur von Nachtschattengewächsen. Inzwischen entdeckten Schweizer Forschende Vergleichbares bei anderen Pflanzenfamilien, etwa beim Mais. Zu seinen schlimmsten Feinden gehören die Raupen der Mottengattung Spodoptera aus der Familie der Eulenfalter (Noctuidae).

Um die relevanten Signalpeptide und zugrunde liegende genetische Sequenzen in der Pflanze zu identifizieren, simulierten die Forscher an den Blättern einen Angriff mit den Falter-Raupen. Sie trugen deren Speichel an beschädigten Blattstellen auf und untersuchten die Reaktion der Pflanze. „Wir haben als entscheidende Signalsubstanz das Peptid ZmPep3 identifiziert. Und wir haben nachgewiesen, dass es die Synthese verschiedener flüchtiger Moleküle auslöst, deren Mischung auf Schlupfwespen stark anziehend wirkt“, erläutert Ted Turlings von der Universität Neuenburg in der Schweiz.

Der Mais ist also ein Beispiel dafür, dass sich bei Pflanzen im Lauf der Evolution vielfältige Methoden der Verteidigung ausgebildet haben, die bei einer neuen Gefahr zum Einsatz gebracht werden können. Diese Erkenntnis ist auch für Züchter wichtig. Denn will man etwa bei einer Kulturpflanze einen Schädling gezielt bekämpfen, dann muss man die molekularen Mechanismen einer Anpassungsreaktion, die Signalwege der Abwehr und die genaue Wirkung einzelner Peptide im Detail kennen und verstehen. Um die beschriebene Kommunikation über Düfte im Pflanzenschutz nutzen zu können, arbeiten Wissenschaftler-Teams zurzeit daran, deren Kodierung im Insektenhirn zu verstehen.

Supersammler für Schwermetalle

Nun produzieren Pflanzen nicht nur selbst Düfte und Gifte, sie sind ihnen auch ausgesetzt. Viele Schwermetalle – ob Kupfer, Nickel, Arsen, Zink – wirken toxisch, wenn sie in zu hohen Konzentrationen aufgenommen werden. Ist der Boden etwa nach einer Umweltkatastrophe mit Schwermetallen verseucht, gehen viele Lebewesen dort zugrunde. So werden bei einem Übermaß aufgenommener Schwermetall-Ionen bei vielen Pflanzen die für die Photosynthese benötigten Chlorophyll-Moleküle in den Chloroplasten irreparabel geschädigt. Der lebenswichtige Prozess der Energiegewinnung wird somit geschwächt oder kommt sogar ganz zum Erliegen.

Doch auch hier sind Pflanzen nicht wehrlos. Manche haben Methoden entwickelt, um die giftigen Metalle gar nicht erst aufzunehmen. Andere nehmen sie zwar auf, sind aber in der Lage, überschüssiges Metall aus ihrem Körper wieder auszuschleusen. Denn in geringer Menge sind Metalle wie Bor, Kupfer, Mangan, Molybdän und Zink essenzielle Nährsubstanzen – die Pflanzen brauchen diese sogenannten Spurenelemente für ihren Stoffwechsel. Optimal damit versorgt, sind Pflanzen widerstandsfähiger gegenüber Umweltstress.

Inzwischen sind Forschende auch auf Supersammler, sogenannte Hyperakkumulatoren, gestoßen. „Sie nehmen die Schwermetalle gezielt und in großen Mengen über ihre Wurzeln auf und können extreme Mengen anreichern, ohne sich dabei zu vergiften“, erläutert der Pflanzenphysiologe Hendrik Küpper von der Universität Konstanz. Pflanzen wie das Gelbe Galmei-Veilchen, das Alpen-Hellerkraut und die Hallersche Schaumkresse reichern die giftigen Stoffe in Konzentrationen in ihrem Gewebe an, die 100- bis 1000-fach höher sind als bei anderen Pflanzen. Ein extremes Beispiel ist die in den Regenwäldern Neukaledoniens heimische Gattung Pycnandra. Diese Bäume ziehen in schier unvorstellbaren Mengen Nickel aus dem Boden: Ritzt man ihre Rinde ein, tritt ein blaugrüner Pflanzensaft hervor, der bis zu 25 Prozent aus dem Schwermetall besteht.

Forschende der University of Queensland haben die Strategien dieser Pflanzen untersucht und beschrieben, wie eine Beeinträchtigung des Stoffwechsels und damit eine Vergiftung verhindert wird. So schleusen viele Arten die Schwermetalle geschickt durch den Organismus und lagern sie entfernt von dem für die Photosynthese wichtigen Chlorophyll ein – zum Beispiel in speziellen Speichervakuolen in der äußeren Blattschicht, der Epidermis. Der pflanzeneigene Prozess der Energiegewinnung kann dann ungestört in den inneren Blattschichten ablaufen.

Offenbar sind die Abwehrstrategien von Pflanzen genauso raffiniert wie die von Tieren – und sie helfen ihnen, sich meisterhaft an neue Gegebenheiten anzupassen.