Pflanzen können bis sechs zählen

Umweltreiz löst Kettenreaktion in den Pflanzenporen aus

Darüber hinaus entdeckten die Forschenden in ihren Modellpflanzen noch einen zweiten Mechanismus in den Schließzellen der Poren: Das Ausströmen von verschiedenen Anionen aus den Zellen in die Umgebung, wenn diese durch Umweltreize angeregt werden. Auch hier lösten unterschiedlich lange Lichtpulse stets Anionenströme mit derselben Form und Stärke aus, wie das Team berichtet. Der Anionenausstrom folgte dem Kalzium-Signal jedoch jeweils zeitverzögert: Er nahm erst zu, nachdem die Kalzium-Konzentration im Zellinneren eine gewisse Schwelle überschritten hatte, und versiegte erst 30 Sekunden nachdem das Kalzium-Signal vorbei war.

Huang und seine Kollegen schließen daraus, dass schon ein Reiz von 0,1 Sekunden Dauer ausreicht, um einen Kalzium-Einstrom in die Schließzellen zu erzeugen, der dann intern so verstärkt wird, dass im Anschluss auch Anionenkanäle aktiviert werden und Anionen ausströmen. Diese Folgereaktion dauert dabei in Summe mehr als hundertmal länger als der auslösende Reiz.

Reize werden summiert und führen zum Porenschluss

Doch wozu gibt es diese komplexen Ionenströme in den Schließzellen überhaupt? Sie summieren sich offenbar auf und führen dazu, dass sich die Pflanzenporen stufenweise schließen: Durch einen einzelnen Lichtpuls und die nachfolgende Ionenreaktion verringerte sich die Porenweite um zehn Prozent. Bei drei aufeinanderfolgenden Reizen im Abstand von einer halben Minute schlossen sich die Poren um 30 Prozent, bei sechs Reizen um 80 Prozent und bei zwölf und mehr Reizen komplett, wie weitere Tests ergaben. „Das sagt uns, dass Schließzellen sechs aufeinanderfolgende Kalzium-Transienten auflösen und in Porenbewegung umsetzen können. Die Schließzellen können also bis sechs zählen“, erklärt Hedrich.

Wie präzise die Pflanze rechnen kann und wie schnell ihre Poren auf die Ionenströme reagieren können, hängt aber offenbar davon ab, wie viele Reize sie erhält und wie schnell die Reize aufeinander folgen. „Als wir die Stimulationsfrequenz halbierten, verzögerte sich die Porenbewegung“, berichtet Hedrich. Die Pflanzenforscher wollen nun in weiteren Experimenten nach dem entscheidenden Schritt in der Reiz-Reaktions-Kette suchen, der bestimmt, wie schnell sich die Poren schließen. Dabei wollen sie auch herausfinden, wie die Pflanze die Ionensignale genau verrechnet und wie lange sich die Schließzellen an die jeweiligen Signale erinnern.

Quelle: Shouguang Huang (Universität Würzburg) et al.; Current Biology, doi: 10.1016/j.cub.2024.07.086