Um ihren Ertrag zu steigern und mehr Nahrungsmittel auf derselben Fläche anzubauen, können Landwirte ihre Nutzpflanzen dichter beieinander platzieren. Das sorgt allerdings auch für ein feuchteres Klima mit schlechter Durchlüftung auf dem Acker. Unter diesen Bedingungen steigt das Risiko, dass sich blattfressende Insekten, wurzelschädigende Nematoden sowie Krankheitserreger wie Viren oder Pilze in dem Feld ausbreiten. Wie passen sich die Pflanzen an diese beengte Situation und die Bedrohung durch Fressfeinde und Pathogene an? Und wie lässt sich das nutzen?
Ausgetüftelter Feedback-Mechanismus von Maispflanzen
Das haben nun Forschende um Dongsheng Guo von der Zhejiang Universität in Hangzhou anhand von Mais (Zea mays) untersucht. Dafür führten sie in Gewächshäusern und auf Testfeldern in China mehrere Experimente durch. Die Maispflanzen waren dabei unterschiedlich dicht beieinander gepflanzt. Die Tests ergaben: Wenn die Maispflanzen in den beengten Feldern von Insekten angeknabbert werden, produzieren sie in ihren Blättern das flüchtige Molekül Linalool. Je dichter die Pflanzen beieinander stehen, desto mehr Linalool wird von den Blättern an die Umgebungsluft freigesetzt, wie Luftanalysen der Blattumgebung zeigten.
Die Feldversuche zeigten auch: Die Nachbarpflanzen können das freigesetzte Linalool über ihre Blätter detektieren und darauf reagieren. Sobald oberirdisch eine bestimmte Linalool-Konzentration erreicht wird, produzieren sie unterirdisch in ihren Wurzeln Jasmonat und Jasmonat-Isoleucin, wie das Team feststellte. Diese beiden Pflanzenhormone sorgen wiederum für die Produktion von Benzoxazinoid-Molekülen in den Wurzeln, welche dann an den Boden abgegeben werden. Unter ihrem Einfluss verändert sich nachfolgend die Bakterienzusammensetzung im Boden. Dadurch entwickelt sich um die Maiswurzeln ein Mikrobiom, das wiederum auf die Pflanzen zurückwirkt: Die Bakterien fördern in den Maiswurzeln und -blättern die Produktion der schädlingsabwehrenden Salicylsäure. Die akquirierten mikrobiellen Helfer erhöhen so die Widerstandsfähigkeit der Pflanzen.
Allerdings ist das schützende Mikrobiom zugleich nachteilig für das Pflanzenwachstum, was die Biomasse und den Ertrag reduziert. In dichten Umgebungen und insbesondere im Zentrum eines Maisfeldes wachsen dadurch kleinere Maispflanzen mit weniger Früchten. Für die Pflanzen schient dies dennoch ein guter Kompromiss zu sein. Denn sie weisen so deutlich weniger Pilzbefall sowie Fraßschäden an Blättern und Wurzeln auf, wie die Experimente belegen. „Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse, dass die Pflanzdichte die Rückkopplung zwischen Pflanze und Boden auf eine Weise verändert, die das Pflanzenwachstum unterdrückt und gleichzeitig die Abwehr stärkt“, schreibt das Team.
