Forscher haben einen Mechanismus enthüllt, mit dem sich der in Amerika heimische Koyotentabak vor Zikaden schützt. Mit Hilfe von Feldstudien und genetischen Analysen identifizierten sie eine zuvor unbekannte chemische Substanz, die die Pflanze ausschüttet, um die Pflanzensaft saugenden Insekten loszuwerden. Nachdem die Forscher die dafür verantwortlichen Stoffwechselwege entschlüsselt hatten, gelang es ihnen, diese auch in Tomaten- und Bohnenpflanzen zu übertragen, die daraufhin ebenfalls resistent gegen Zikaden wurden.
Wird eine Pflanze von Fressfeinden bedroht, ist sie ihnen in vielen Fällen nicht wehrlos ausgeliefert. Pflanzen wie Tomaten, Mais und Tabak wehren sich mit einem chemischen Abwehrprogramm gegen Schädlinge: Sobald sie Fraßschäden an ihren Blättern registrieren, kommt es zu einer Signalkaskade, die je nach Pflanze zum Beispiel dazu führt, dass sie verstärkt Giftstoffe produziert oder Duftstoffe ausschüttet, die entweder die Schädlinge vergraulen oder deren Fressfeinde zu der befallenen Pflanze locken. Dabei spielt unter anderem das Pflanzenhormon Jasmonsäure eine Rolle. Die genauen Mechanismen sind allerdings in vielen Fällen noch nicht bekannt.
Abwehrmechanismus aufgeklärt
Ein Team um Yuechen Bai vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena hat nun im Detail untersucht, wie sich Koyotentabak (Nicotiana attenuata) gegen Zikaden wehrt. In der Heimat des Koyotentabaks im Südwesten der USA werden manche der Pflanzen regelmäßig von Zikaden befallen, die sich vom Pflanzensaft ernähren und so schwere Schäden verursachen. Andere hingegen scheinen gegen den Schädling resistent zu sein. Bereits in früheren Studien hatten die Forscher gezeigt, dass Zikaden bevorzugt solche Pflanzen besiedeln, bei denen der Jasmonsäure-Signalweg nur schwach ausgeprägt ist. „Allerdings war zu diesem Zeitpunkt noch unbekannt, welche spezifischen durch Jasmonsäure ausgelösten Abwehrmechanismen für die Resistenz gegenüber den Zikaden verantwortlich sind“, erklärt Co-Autor Dapeng Li von der Universität Straßburg.
Um den Mechanismen auf die Spur zu kommen, kreuzten die Forscher nach einem festgelegten Schema 26 Elternpflanzen, die einen großen Teil der natürlich vorkommenden genetischen Variation abbilden. Die auf diese Weise gezüchteten Pflanzen pflanzten sie in ihrem natürlichen Verbreitungsgebiet in Arizona aus und beobachteten, inwieweit sie von Zikaden befallen wurden. Anhand der Stärke des Befalls konnten sie darauf schließen, welche genetischen Grundlagen zu einer Resistenz beitragen.
Neu entdeckte Substanz tötet Zikaden
Zusätzlich analysierten sie, welche chemischen Veränderungen der Kontakt mit saugenden Zikaden in den Pflanzen auslöst und welche Gene aktiviert werden. Dabei stießen sie auf eine vormals unbekannte chemische Substanz, der sie den Namen CPH gaben. Um herauszufinden, ob diese tatsächlich der Schädlingsabwehr dient, fütterten sie einige Zikaden im Labor mit einer Zuckerlösung, die sie mit CPH versetzt hatten – und tatsächlich: die Substanz tötete die Zikaden innerhalb weniger Stunden. Um herauszufinden, welche Stoffwechselwege an der Produktion von CPH beteiligt sind, veränderten Bai und seine Kollegen bei einigen Pflanzen gezielt bestimmte Gene, die für die Signalübertragung bei der Abwehrreaktion wichtig sind.
Auf diese Weise fanden sie heraus, dass die Synthese von CPH auf dem Zusammenspiel von drei verschiedenen Stoffwechselwegen beruht, von denen einer durch Jasmonsäure in Gang gesetzt wird. „Durch die Verknüpfung ausgefeilter molekularbiologischer und chemisch-analytischer Methoden konnten wir nicht nur einen bislang unbekannten Abwehrstoff identifizieren und charakterisieren, sondern auch die Gene, die für seine Bildung verantwortlich sind,“ sagt Bais Kollege Ian Baldwin. Mit diesem Wissen gelang es den Forschern, entsprechende Gene auch in anderen Pflanzen zu aktivieren: in der Ackerbohne Vicia faba und wilden Tomatenart Solanum chilense. Tatsächlich produzierten auch diese Pflanzen daraufhin CPH und wurden gegen Zikaden resistent.
Innovation im Pflanzenschutz
„Man kann unser Vorgehen als ‚naturgeschichtlich geleitete Vorwärtsgenetik‘ bezeichnen“, sagt Baldwin. „Die Naturgeschichte und die Beobachtung des Fressverhaltens der Zikaden hat den Entdeckungsprozess vorangetrieben. Denn wenn es um Chemie geht, bleibt die Natur die beste Erfinderin.” Mit Hilfe synthetischer Biologie sei es machbar, natürliche Innovationen, die sich im Laufe von Millionen Jahren durch natürliche Selektion ergeben haben, auf Nutzpflanzen zu übertragen. „Das ermöglicht eine umweltfreundlichere und ökologisch differenziertere Revolution im Pflanzenschutz“, schreiben die Forscher. Gerade angesichts des Klimawandels, der die Vermehrung von Schädlingen wie Zikaden begünstigt, sei dies von Nöten. „CPH stellt eine chemische Innovation dar, die es einer einheimischen Pflanze ermöglicht, mit Schädlingen zurechtzukommen, und die sich leicht in Kulturpflanzen einbauen lässt“, so die Forscher.
Quelle: Yuechen Bai (Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Jena) et al., Science, doi: 10.1126/science.abm2948
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