Duftsignale locken den Feind des Feindes

30.06.2011 von Corinna Bertz in Forschung, Wissenschaft
Pflanzen sind nicht stumm. Sie verfügen über eine besondere Sprache und zeigen sich bei deren Gebrauch überaus erfinderisch. Ihr „Wortschatz“ besteht aus einer Fülle von Duftstoffen, die sie an ihre Umgebung abgeben. Sie können sogar mit aromatischen Signalen um Hilfe schreien. Für diese Substanzen interessiert sich der hallesche Pharmazeut Prof. Dr. Jörg Degenhardt. Er untersucht unter anderem, wie und warum Pflanzen bestimmte Düfte ausströmen.
Corn leaves emit volatile terpenes when injured by caterpillars. These, in turn, attract parasitoid wasps which are the natural enemy of caterpillars. 
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Corn leaves emit volatile terpenes when injured by caterpillars. These, in turn, attract parasitoid wasps which are the natural enemy of caterpillars. ! (Foto: Ted Turlings)

„Pflanzen können über 100.000 verschiedene Substanzen bilden, darunter die so genannten Terpene, die sie abhängig von der aktuellen Situation produzieren“, sagt Professor Degenhardt. Dazu gehören Blütendüfte ebenso wie Baumharze oder ätherische Öle. Viele dieser Terpene können pharmazeutisch genutzt werden, deshalb ist eines der Forschungsziele, herauszufinden, welche Faktoren deren Produktion verursachen oder anregen. Nicht zuletzt haben Düfte bei der natürlichen Feindabwehr von Pflanzen Bedeutung. Das Wissen um ihre Entstehung und dessen gezielte Anwendung kann durch Schädlingsbefall bedingte enorme landwirtschaftliche Verluste verhindern.

Wie reagiert eine Maispflanze, wenn die Raupe des Nachtfalters Spodoptera littoralis an einem ihrer Blätter zu fressen beginnt? Es entsteht eine Stresssituation für die Pflanze, sie bildet Duftstoffe. Ein biologischer Krimi nimmt seinen Lauf: Mit diesen Duftsignalen lockt sie den Mörder ihres Feindes an, nämlich die Schlupfwespe Cotesia marginiventris. „Die Wespe legt schnell ein Ei an der Raupe ab und kurze Zeit später frisst eine frisch geschlüpfte Larve die Raupe von innen auf“, so Jörg Degenhardt. Das ist noch nicht alles: Auch unter der Erde verteidigt sich die Maispflanze gegen Angriffe. „Es gilt das Motto: Der Feind meines Feindes ist mein Freund“, beschreibt Degenhardt das gruselige Geschehen. Fängt die Käferlarve des Maiswurzelbohrers Diabrotica virgifera an den Wurzeln zu knabbern an, sendet der Mais einen Signalstoff ins Erdreich – das so genannte (E)-beta-Caryophyllen. Dieses finden wiederum Fadenwürmer (Nematoden) unwiderstehlich. In großen Scharen kriechen sie dem Duft entgegen und fallen über die Larve her. Nachweisen konnten die Wissenschaftler diese Funktionsweise mit Hilfe eines Olfaktometers. Darin ausgesetzte Maden bewegten sich stets in Richtung der besagten Duftstoffe, die übrigens auch die menschliche Nase wahrzunehmen in der Lage ist. „Es riecht leicht nach Jasmintee“, weiß der Pharmazeut.

Ein bestimmtes Gen in der Maispflanze lenkt die Bildung dieses Lockstoffs. In Jahrhunderten der Züchtung haben insbesondere in Nordamerika viele Maissorten das Gen verloren und sind somit dem Maiswurzelbohrer ausgeliefert. Die Ernteverluste durch Käferbefall belaufen sich dort jährlich auf über eine Milliarde Dollar. Das Maissaatgut mit Insektiziden zu präparieren, stellt eine umstrittene Lösung dar. Da seit 2008 der Schädling auch in Deutschland vermehrt aufgetreten war, wurde in Baden-Württemberg und Bayern das Pflanzenschutzmittel Chlotianidin eingesetzt und vergiftete rund 330 Millionen Honigbienen. Mit dem Insektizid kontaminierter Staub hatte sich auf Blüten abgesetzt. „Viel umweltfreundlicher sind die natürlichen Fraßfeinde des Käfers”, ist Degenhardt deshalb überzeugt.

Professor Jörg Degenhardt präsentiert Thymianpflanzen, die zwar optisch nicht zu unterscheiden sind, aber unterschiedliche Düfte ausströmen, da sie verschiedene Terpenprofile aufweisen.
Professor Jörg Degenhardt präsentiert Thymianpflanzen, die zwar optisch nicht zu unterscheiden sind, aber unterschiedliche Düfte ausströmen, da sie verschiedene Terpenprofile aufweisen.
(Foto: Ute Olbertz)

Seinem Forscherteam gelang es in Zusammenarbeit mit der TU München das Verteidigungs-Gen aus europäischen Maissorten in die empfindlicheren US-Sorten zu übertragen. Tatsächlich produzierten diese anschließend den Maden-Lockstoff. Gemeinsam mit Max-Planck-Wissenschaftlern und Professor Bruce Hibbard vom United States Department of Agriculture (University of Missouri, USA) konnten sie bei Freilandstudien mit transgenen Maispflanzen 60 Prozent weniger Schäden durch den Maiswurzelbohrer nachweisen. Auch durch Züchtungen können Pflanzen so entwickelt werden, dass das Gen wieder aktiv ist.

Weitere spannende Fragestellungen der Arbeitsgruppe Pharmazeutische Biotechnologie in Halle: Warum produzieren optisch identische Pflanzen in natürlichen Populationen unterschiedliche Duftstoffe? Dies untersucht das Team unter anderem an Thymian, der an verschiedenen Standorten in Südfrankreich gesammelt wurde. Welche molekularen und biochemischen Mechanismen spielen dabei eine Rolle? Salbei, Minze und Oregano und deren ätherische Öle werden ebenfalls im Labor näher betrachtet. Für viele pharmazeutische Nutzungen haben diese Öle Bedeutung, darüber hinaus werden sie als Geschmacksstoffe in Nahrungsmitteln und für Kosmetika verwendet.

Das von Jörg Degenhardt geleitete Teilprojekt (B7) im Sonderforschungsbereich (SFB) 648 „Molekulare Mechanismen der Informationsverarbeitung in Pflanzen“ der DFG (Sprecherin: Leibniz-Preisträgerin Ulla Bonas) widmet sich der Signalverarbeitung bei Pflanzen in der Zelle, wenn ein Pilz, Bakterium oder Insekt angreift. Unter dem Titel „Die Regulation der pflanzlichen Terpenbiosynthese durch Herbivoren und Pathogene“ soll das Projekt zu einem besseren Verständnis der intrazellulären Informationsverarbeitung bei der Verteidigung der Pflanze beitragen.

Text: Ute Olbertz

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