Wilder Tabak vs. Raupen
Doppelte Abwehr gegen hungrige Raupen
Niemand wird gern angefressen. Auch Pflanzen nicht, aber sie sind fest im Boden verankert und im Prinzip unbeweglich. Wie also schützen sie sich vor Fressfeinden oder bekämpfen sie?
Ganz wehrlos ist die Botanik auf jeden Fall nicht und ein schönes Beispiel hierfür ist Nicotiana attenuata, der Wilde Tabak. Wenn Raupen des Tabakschwärmers (Manduca sexta) an seinen Blättern fressen, bleibt das für die Pflanze nicht ohne Folgen – für die Raupen jedoch auch nicht. Denn der Tabak reagiert auf den Angriff mit mehreren Abwehrmechanismen, die auf unterschiedlichen Ebenen wirken. Und zwar ganz spezifisch mit einem Abwehrprogramm, das genau auf die Manduca-Raupen zugeschnitten ist.
Wie die Pflanze einen Raupenangriff erkennt, welche chemischen Signalwege daran beteiligt sind und warum selbst der Zeitpunkt einer Abwehrreaktion eine wichtige Rolle spielen kann, ist Gegenstand intensiver Forschung. Bekannt ist: Zum einen aktiviert der Wilde Tabak eine direkte chemische Abwehr. Dabei werden verschiedene Abwehrstoffe gebildet und im Bereich der Verletzung angehäuft. Zum anderen setzt die Pflanze flüchtige organische Verbindungen frei. Diese Duftstoffe können natürliche Gegenspieler der Fressfeinde, beispielsweise Raubwanzen, anlocken und damit zu einer indirekten Abwehr beitragen.
Die bewährte Allzweckwaffe: Nikotin
Sobald die Pflanze Schaden nimmt, steigt die Konzentration von Jasmonsäure und ihren Salzen im verletzten Gewebe rasch an. Sie sind maßgeblich daran beteiligt, gezielt Signalwege zu aktivieren, die die Expression zahlreicher Gene und damit unterschiedliche Abwehrreaktionen beeinflussen. In den meisten Fällen wird hier durch die bewährte Allzweckwaffe aktiviert: Nikotin.
Der Wilde Tabak bildet permanent das Nervengift Nikotin in geringer Konzentration. Nach einer Verletzung jedoch wird in dem verletzten Bereich die Nikotinkonzentration um etwa das Zehnfache verstärkt und so die Schädlinge außer Gefecht gesetzt. Das Alkaloid bindet an nikotinische Acetylcholinrezeptoren und kann dadurch die Reizübertragung im Nervensystem beeinträchtigen. Es bildet damit eine wirksame chemische Abwehr gegen viele pflanzenfressende Insekten und andere Herbivoren.
Bei den Raupen des Tabakschwärmers ist die Situation allerdings anders. Manduca sexta ist nämlich an seine nikotinhaltige Nahrung angepasst und kann große Mengen des Alkaloids tolerieren. Im Gegenteil speichert die Raupe sogar das Nikotin in einer Drüse, um sich selbst vor Fressfeinden zu schützen. Das Anheben der Nikotinkonzentration wäre also völlig nutzlos. Und darauf hat sich der Wilde Tabak eingestellt. Wie aber erkennt er, wer ihn anknabbert?
Mit dem Speichel der Raupe gelangen bestimmte Verbindungen auf das verletzte Pflanzengewebe. Dazu gehören Fettsäure-Aminosäure-Konjugate, sogenannte FACs. Diese Verbindungen lösen in Nicotiana attenuata spezifischere Reaktionen aus, die sich von denen nach einer rein mechanischen Verletzung unterscheiden.
Interessanterweise werden auch diese spezifischeren Reaktionen durch Jasmonate gesteuert und reguliert, die also nicht einfach als ‚Aus-/Ein-Schalter‘ anzusehen sind, sondern sehr differenziert die ablaufenden Prozesse regulieren können.
Timing ist alles
Die Abwehr des Wilden Tabaks bei Manduca-Befall wird nicht nur sorgfältig auf diese Raupenart abgestimmt, sie entfaltet sich auch in einer bestimmten zeitlichen Abfolge. Denn die Maßnahmen beginnen erst mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung mit voller Stärke. Zwischen dem ersten Fraß und der vollständigen Ausbildung der Abwehrreaktionen können mehrere Tage liegen. Diese Verzögerung kann für Nicotiana attenuata einen ökologischen Vorteil haben.
Junge Raupen des Tabakschwärmers sind zunächst klein und nehmen vergleichsweise wenig Pflanzenmaterial auf, der Schaden für den Wilden Tabak bleibt zunächst gering. Mit zunehmendem Wachstum steigt ihr Nahrungsbedarf jedoch erheblich. Ältere, größere Raupen können zudem ihre Wirtspflanze einfacher verlassen, wenn es ungemütlich wird, und auf benachbarte Pflanzen wechseln.
Wissenschaftliche Modellierungen auf Grundlage von Freilandbeobachtungen zeigen: Steigt die Abwehr in der bereits befallenen Pflanze erst mit Verzögerung an, können größere Raupen auf benachbarte, weniger stark verteidigte Pflanzen ausweichen. Für den Wilden Tabak kann sich dadurch der spätere Fraßschaden reduzieren. Die Verzögerung ist damit nicht einfach nur eine langsame Reaktion, sondern eine perfekte Optimierung und evolutionäre Anpassung an das Verhalten des Fraßfeindes im Laufe seiner Entwicklung.
Parfum für die indirekte Abwehr
Zur Unterstützung der Abwehr setzt Nicotiana attenuata mit einem Duftstoff eine zweite Abwehrreihe ein.
Bei unbeschädigten Tabakpflanzen geben die geöffneten Blüten nachts das Sesquiterpen (E)-α-Bergamoten ab. Dieser Duftstoff wird vom erwachsenen Tabakschwärmer wahrgenommen und trägt dazu bei, dass die Nachtfalter die Blüten besuchen und bestäuben. Damit unterstützt das Bergamoten die Fortpflanzung des Wilden Tabaks.
Nach einem Raupenbefall kommt (E)-α-Bergamoten allerdings auch in den Blättern ins Spiel. Diese geben den Stoff vor allem tagsüber verstärkt an die Umgebung ab und locken damit Raubwanzen der Gattung Geocoris an, natürliche Gegenspieler des Tabakschwärmers. Sie orientieren sich an diesem Duftsignal und erbeuten auf der Tabakpflanze Eier sowie junge Raupen von Manduca sexta.
Damit kann dieselbe chemische Verbindung zwei unterschiedliche ökologische Wechselwirkungen vermitteln: nachts zwischen Pflanze und Bestäuber, tagsüber zwischen Pflanze und den natürlichen Gegenspielern ihres Fraßfeindes, gesteuert durch Zeitpunkt und Ort der Aussendung.
Warum der Wilde Tabak die Forschung interessiert
Wie erkennt eine Pflanze, wer an ihr frisst? Wie steuert sie ihre Abwehr? Und welche Rolle spielen dabei andere Organismen in ihrer Umgebung? Der Wilde Tabak bietet der Forschung die Möglichkeit, solche komplexen Wechselwirkungen unter natürlichen Bedingungen zu untersuchen.
Dabei geht es auch um die Frage, wie sich natürliche Abwehrmechanismen künftig nutzen lassen. Das Wissen darüber, wie Pflanzen auf Fraßfeinde reagieren und deren natürliche Gegenspieler einbeziehen, kann neue Forschungsansätze für einen gezielteren und nachhaltigeren Pflanzenschutz eröffnen.
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Was im Wilden Tabak geschieht, wird im Labor bis auf die Ebene einzelner Signalstoffe, Gene und Stoffwechselprozesse untersucht. Moderne Analytik macht sichtbar, welche Substanzen beteiligt sind, wie sich ihre Konzentrationen verändern und welche Reaktionen sie auslösen.
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Quellen:
https://www.ice.mpg.de/79267/research_report_358989?c=2812&force_lang=de
https://www.mpg.de/924959/pflanzliche-abwehrstrategien-teil-2-duftstoffe
