Gene zur Abwehr umfunktioniert: Pflanzen tricksen Fressfeinde aus

Genetische Doppelstrategie: Wie Pflanzen Atem-Gene zur Abwehr scharf machen

Pflanzen wie Kohl und Wasabi steuern ihre Atmung über bestimmte Gene. Die gleichen Schalter aktivieren auch ihre Abwehr gegen Schädlinge.

Pflanzen können Gene zweckentfremden und sie als Waffe zur Abwehr gegen Fressfeinde einsetzen. Eine neue Studie zeigt nun: Was ursprünglich nur dem Atmen diente, wird bei Arten wie Kohl, Wasabi und Senf zum scharfen Abwehrmechanismus. Das Wissen darüber könnte künftig beim Anbau robusterer Nutzpflanzen helfen.

Im Zentrum steht ein Gen mit Doppelfunktion: FAMA. Es steuert die winzigen Poren an der Blattoberfläche – die Spaltöffnungen –, durch die Pflanzen Kohlendioxid aufnehmen. Gleichzeitig aktiviert es die Produktion spezieller Zellen, die Senföle speichern und bei Gefahr freisetzen.

Pflanzen bauen Gene zur Abwehr um – Ein Schalter, zwei Funktionen

FAMA ist ein Transkriptionsfaktor – also ein molekularer Schalter, der entscheidet, wann welches Gen in der Zelle aktiv wird. Man kann ihn sich wie einen Dirigenten vorstellen, der festlegt, welches Instrument wann spielt. In diesem Fall: ob die Pflanze atmet oder zur chemischen Verteidigung ansetzt.

Dabei bleibt es nicht: Das Team um Dr. Makoto Shirakawa vom Nara Institute of Science and Technology hat noch ein zweites Gen identifiziert, das in diese Verteidigungslinie eingebunden ist – WASABI MAKER (WSB). Fehlt es, entstehen keine Abwehrzellen. Ein drittes Gen, SCAP1, ist an der Porenbildung beteiligt, hat aber bei der Abwehr nur eine Nebenrolle.

Scharfe Senföle als pflanzliche Verteidigung

Die sogenannte Myrosinzelle ist das Herzstück der chemischen Abwehr. Sie speichert Senföle, die im Ernstfall freigesetzt werden – zum Beispiel, wenn eine Raupe ein Blatt verletzt. Dann reagieren zwei Stoffe miteinander: Myrosinase und Glucosinolate. Das Ergebnis: scharf schmeckende und für viele Insekten giftige Isothiocyanate.

„Das Myrosinase-Glucosinolat-System schützt die Leitgewebe vor Herbivorenangriffen“, heißt es in der Studie. Für Menschen ist dieser chemische Prozess der Ursprung des scharfen Geschmacks von Wasabi oder Meerrettich – für Fressfeinde ein klares „Stopp-Signal“.

Die Natur nutzt, was schon da ist

FAMA, WSB und SCAP1 sind ursprünglich dafür zuständig, Spaltöffnungen zu regulieren. Doch bei Kreuzblütlern wie Kohl oder Raps hat die Evolution sie zusätzlich für die Verteidigung „umprogrammiert“. Statt neue Gene zu entwickeln, hat die Pflanze bestehende Werkzeuge neu kombiniert. Ein Trick, der Ressourcen spart – und trotzdem neue Fähigkeiten bringt.

„Das konservierte und reduzierte Transkriptionsmodul FAMA–WSB wurde vor seiner evolutionären Umfunktionierung zur Induktion der MC-Differenzierung ko-optiert“, schreiben die Forscher. Gemeint ist: Das Genmodul existierte bereits – es wurde nur neu eingesetzt.

Was das für den Anbau bedeutet

Diese Erkenntnisse könnten große Bedeutung für die Pflanzenzucht haben. Denn wer weiß, wie diese Gene funktionieren, kann gezielt Sorten entwickeln, die widerstandsfähiger gegen Schädlinge sind – ganz ohne chemische Mittel. Gleichzeitig lässt sich der CO2-Austausch effizienter gestalten. Das könnte helfen, Erträge zu steigern und Pflanzen klimaresistenter zu machen.

FAMA steuert nicht nur die Verteidigung, sondern auch die Atmung der Pflanze. Das Zusammenspiel dieser beiden Prozesse entscheidet über Wachstum, Gesundheit und Ertrag – also über alles, was für den Anbau relevant ist.

Die Forschung steht noch am Anfang

In ihren Experimenten zeigten die Forscher, dass FAMA innerhalb von acht Stunden über 160 Gene aktiviert – nach 24 Stunden sind es fast 250. Viele davon betreffen den Zellaufbau oder die Struktur der Abwehrzellen. Diese Geschwindigkeit zeigt, wie dynamisch Pflanzen auf Bedrohungen reagieren können.

Für Studienleiter Shirakawa ist klar: „Unsere zukünftige Arbeit wird nicht nur neue Erkenntnisse für die Pflanzenzucht liefern, sondern auch dazu beitragen, eine der grundlegendsten Fragen der Biologie zu beantworten: Wie schaffen es Pflanzen, mit einer begrenzten Anzahl an Genen eine so enorme Vielfalt zu erzeugen?“

Kurz zusammengefasst:

Pflanzen wie Kohl, Senf und Wasabi nutzen Gene (FAMA) sowohl für den Gasaustausch als auch zur Abwehr gegen Fressfeinde, indem sie scharfe Stoffe ausbilden.
Das Gen aktiviert spezialisierte Zellen (Myrosinzellen), die bei Angriffen Senföle freisetzen und so Schädlinge abschrecken.
Diese genetische Doppelstrategie könnte helfen, Nutzpflanzen ohne Chemie robuster zu machen und den Ertrag zu sichern.

Übrigens: Nicht nur Pflanzen setzen auf genetische Tricks – auch Bakterien im Darm rüsten gezielt um, um ihre Feinde auszuschalten. Wie sie ihre Waffen durch Gen-Tausch verändern, zeigt eine neue Studie – mehr dazu in unserem Artikel.