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Pflanzen unter Streß: Abwehrstrategien gegen Mensch, Mikrobe und Chemie

Reaktion der Pflanze auf Streß

Ob durch Pilzbefall, Sommersmog oder den Rasenmäher – auch Pflanzen geraten unter Streß. Was dabei genau geschieht, erforschen Wissenschafter aus dem Institut Phytosphäre des Forschungszentrums Jülich.

Dabei versuchen sie einerseits zu verstehen, was innerhalb der Pflanzen vorgeht: Was ist ihre erste Reaktion auf den “Schreck”? Welche Abwehrstrategien gibt es und lassen sich diese vielleicht für den Pflanzenschutz nutzen? Andererseits wollen die Forscher herausfinden, wie die Pflanze ihre Umgebung beeinflußt und von ihr beeinflußt wird.

Angewachsen, aber nicht wehrlos
Wie ändert sich das Pflanzenverhalten unter Streß?

“Pflanzen können nicht weglaufen, wenn ihnen etwas nicht paßt”, beschreibt die Biologin Dr. Ingar Janzik die missliche Situation ihrer Versuchsobjekte. “Sie haben auch kein Zentrales Nervensystem, sind also nicht imstande, sich bewußt gegen Feinde zu wehren oder Hilfe herbeizurufen.”

Doch auch wenn Pflanzen stumm und standortgebunden sind – passiv und wehrlos sind sie nicht. Bäume, Sträucher und Gräser reagieren auf ihre Umgebung und senden ihrerseits Signale aus. Jeder hat sie schon einmal wahrgenommen. Der würzige Duft eines Kiefernwaldes, der typische Geruch beim Rasenmähen, aber auch braune Flecken auf einer Tabakpflanze zeigen, daß Pflanzen mit ihrer Umwelt ständig auf vielfältige Weise in Wechselwirkung treten.

Auf Gefahren – ob es nun Raupen sind, die sich an saftigen Blättern gütlich tun, ob ein Pilz die Pflanze befällt oder ob Nährstoffe knapp werden – reagieren die Gewächse recht empfindlich. Sie produzieren bestimmte Moleküle, leiten sie innerhalb des Organismus weiter und geben einige an die Umgebung ab.

Blick ins Innere der Pflanze

Den verborgenen Vorgängen im Inneren der Pflanze ist Ingar Janzik auf der Spur. Sie erforscht mit den Mitteln der Molekularbiologie, was dort geschieht, wenn die Pflanze “sich gestresst fühlt”. An Tabakpflanzen und an der Ackerschmalwand, dem Lieblingsunkraut der Genetiker, dessen Erbgut kürzlich entschlüsselt wurde, untersucht sie, welche biochemischen Pfade bei Gefahr aktiviert werden.

“Durch Streß wird die Pflanze regelrecht umprogrammiert”, erläutert die Biologin. Das heißt, im Erbgut werden plötzlich Baupläne hervorgekramt und abgelesen, die unter günstigeren Bedingungen unbeachtet in den “Schubladen” des Zellkerns liegen. Damit aus einem so aktivierten Gen ein Eiweiß werden kann – ein Enzym etwa, das Abwehrstoffe produziert – muß die Information durch Boten weitergeleitet werden. Diese Kuriere – messenger-RNA genannt – fängt die Biologin ab und entschlüsselt ihre Nachrichten. “Da stets mehrere verschiedene Gene aktiviert werden, ergeben sich bei den Analysen typische Muster”, erläutert Ingar Janzik.

Diese Muster gleichen sich – egal ob ein Krankheitserreger oder zu viel Ozon in der Luft der Pflanze zusetzen. “Erhöhte Ozonwerte, wie sie beim Sommersmog auftreten, sind ein relativ neues Phänomen. Auf diesen Luftschadstoff reagieren Pflanzen sehr heftig”, erklärt Janzik. Vermutlich aktiviert das Ozon die gleiche Abwehrsignalkette, die sonst von Bakterien, Viren oder Pilzen in Gang gesetzt wird.

“Und zwar schon ziemlich am Anfang dieser Signalkaskade”, betont Janzik. “Für uns ist das spannend, denn mit Ozon können wir solche Abläufe im Experiment sehr viel präziser auslösen, als etwa durch eine Infektion mit Mikroorganismen, und dennoch genau die Abläufe untersuchen, mit denen die Pflanze sonst auf Krankheitserreger reagiert.”

Abwehrprogramm auf dem Acker
Wasserstoffperoxid als Überlebenshilfe

Baumwollbohrerlarve

Baumwollbohrerlarve

Einiges fanden die Pflanzenforscher inzwischen heraus: So spielen reaktive Sauerstoffverbindungen – Wasserstoffperoxid und verwandte Moleküle – eine entscheidende Rolle. Sie werden sehr rasch nach einer Verletzung, einer Infektion oder auch durch Ozonstress gebildet.

“Wasserstoffperoxid hat dabei zwei Funktionen”, erläutert Ingar Janzik. “Einerseits bewirkt es, daß im Erbgut der betroffenen Zellen ein Todesprogramm gestartet wird, andererseits wandert es in benachbartes Gewebe und aktiviert dort Gene, die schützende Substanzen produzieren.” Geschädigte Zellen sterben rasch ab.

Solche Nekrosen mögen für den Gärtner nichts als hässliche braune Flecken auf den Blättern sein – der Pflanze sichern sie möglicherweise das Überleben: Krankheitserreger vermehren sich in den toten Zellen nicht. Auch so genannte Lignine, Substanzen, die Zellwände verholzen lassen, tragen zur Schadensbegrenzung bei. Sie bilden eine Barriere für Viren, Pilze und Bakterien, die sich dann nicht mehr so leicht in das gesunde Gewebe ausbreiten.

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