Pflanzen können passiv erscheinen, wenn Insekten anfangen, sich von ihnen zu ernähren, aber ihre Abwehrstrategien können überraschend ausgeklügelt sein.

Einige produzieren Toxine, andere bilden physische Barrieren, und viele setzen luftgetragene Chemikalien frei, die Räuber der Insekten anlocken, die sie angreifen.

Neue Forschungen legen nahe, dass Kuhbohnenpflanzen sogar noch weiter gehen können. Nachdem sie Schäden von Minierfliegen erlitten haben, scheinen sie die Erde um ihre Wurzeln auf eine Weise zu verändern, die der nächsten Generation von Pflanzen hilft, sich selbst zu verteidigen - selbst wenn diese jüngeren Pflanzen noch nie angegriffen wurden.

Pflanzen haben mehrere Abwehrmechanismen

Pflanzen verwenden verschiedene Techniken, um hungrige Insekten und größere Pflanzenfresser abzuschrecken. Winzige Haare können kleine Schädlinge bremsen, Dornen können Weidevieh abschrecken, und chemische Verbindungen können Blätter unangenehm oder giftig machen.

Einige Pflanzen setzen auch spezielle luftgetragene Düfte frei, bekannt als herbivor-induzierte Pflanzenvolatile oder HIPVs. Diese Chemikalien können fast wie ein Alarmsignal wirken. Anstatt den Schädling direkt anzugreifen, setzt die Pflanze einen Geruch frei, der natürliche Feinde wie parasitoide Wespen anlockt. Diese Wespen suchen nach Insekten, die sich von der Pflanze ernähren, und können dazu beitragen, den Schaden zu reduzieren.

Die Schwäche dieses Systems liegt darin, dass diese luftgetragenen Signale normalerweise verschwinden, sobald die unmittelbare Bedrohung vorüber ist. Die Forscher wollten daher wissen, ob Pflanzen eine länger anhaltende Form der Abwehr durch die Erde schaffen können.

Die Erde könnte Informationen speichern

Wurzeln absorbieren nicht nur Wasser und Nährstoffe. Pflanzen setzen kontinuierlich Mischungen von Verbindungen in die umgebende Erde frei. Diese Substanzen, bekannt als Wurzelexsudate, beeinflussen die Mikroorganismen, die in der Nähe der Wurzeln leben.

Diese mikrobiellen Gemeinschaften können dann das Pflanzenwachstum, die Nährstoffaufnahme und die Resistenz gegen Krankheiten und Schädlinge beeinflussen. Frühere Studien hatten bereits gezeigt, dass Insektenschäden an Blättern sowohl die Wurzelchemie als auch die Zusammensetzung der Bodenmikroben verändern können. Unklar war jedoch, ob diese Veränderungen eine nützliche Verteidigung für Pflanzen bieten könnten, die später in derselben Erde wachsen.

Die neue Studie legt nahe, dass Insektenangriffe ein biologisches Echo im Boden hinterlassen können, das über die ursprüngliche geschädigte Pflanze hinaus überlebt.

Kuhbohnen offenbaren die Auswirkung

Forscher konzentrierten sich auf Kuhbohnen, die häufig von Minierfliegen angegriffen werden. Kuhbohnen sind bereits dafür bekannt, luftgetragene Signale freizusetzen, die parasitoide Wespen anlocken, wenn Minierfliegen beginnen, ihre Blätter zu befallen.

Um zu untersuchen, ob diese Reaktion sich auch auf den Boden erstrecken könnte, ließen Wissenschaftler neue Kuhbohnenpflanzen in Erde wachsen, die zuvor entweder von insektenbeschädigten oder unbeschädigten Pflanzen bewohnt worden war. Sie untersuchten dann die Pflanzenchemie, die Genaktivität, flüchtige Verbindungen und Veränderungen im Bodenmikrobiom.

Die Forscher sterilisierten auch den Boden und führten ausgewählte mikrobielle Populationen wieder ein, um zu testen, ob die Mikroben tatsächlich für den Effekt verantwortlich waren, anstatt nur damit assoziiert zu sein.

Neue Pflanzen erlangten Schutz

Die Ergebnisse zeigten einen deutlichen Unterschied. Kuhbohnen, die in einem Boden wuchsen, der zuvor von Minierfliegen-geschädigten Pflanzen bewohnt wurde, lockten mehr parasitoide Wespen an, obwohl die neuen Pflanzen selbst noch nie angegriffen worden waren.

Sie wuchsen auch größer. Das bedeutet, dass die Begegnung der ursprünglichen Pflanze mit Insekten die Bodenumgebung so verändert hatte, dass die nächste Generation davon profitierte. Die Forscher verfolgten diesen Effekt auf eine Kette biologischer Reaktionen zurück, die mit dem ursprünglichen Blattschaden begannen.

Ein Hormon startet die Kette

Als Minierfliegen die Kuhbohnenblätter beschädigten, aktivierten sie die Jasmonat-Signale. Jasmonat ist ein wichtiges Pflanzenhormon, das an Reaktionen auf Verletzungen und Herbivorie beteiligt ist.

Diese hormonale Reaktion führte dazu, dass die Wurzeln erhöhte Mengen von zwei Flavonoidverbindungen freisetzten: daidzein und Genistein. Diese Verbindungen veränderten dann die mikrobielle Gemeinschaft um die Wurzeln herum. Mehrere Arten von Bradyrhizobium-Bakterien wurden in der konditionierten Erde häufiger.

Als später neue Kuhbohnenpflanzen dort wuchsen, schienen diese angereicherten Mikroben die jasmonatbezogenen Abwehrmechanismen erneut zu aktivieren. Das Ergebnis war eine höhere Produktion eines Geruchs, den parasitoide Wespen anziehend fanden.

Im Grunde genommen änderte die erste Pflanze das Bodenmikrobiom so, dass spätere Pflanzen bereits besser darauf vorbereitet waren, Insektenfeinde zu rekrutieren.

Verteidigung über Generationen hinweg

Dieser Mechanismus unterscheidet sich vom üblichen kurzlebigen Luftwarnsystem. Normalerweise setzt eine Pflanze defensive Düfte frei, wenn sie gerade gefressen wird. Hier fanden die Forscher jedoch heraus, dass Pflanzen parasitoide Wespen anlocken konnten, selbst ohne einen unmittelbaren Insektenangriff.

Die vorherige Generation hatte den Boden effektiv vorbereitet. Die Forscher beschrieben dies als eine Form von Pflanze-Boden-Feedback, bei der Schädigung durch Herbivore eine dauerhafte Umwelt-Signatur hinterlässt. Diese defensive Wirkung kann sich daher über die ursprüngliche Pflanze und die Zeit hinaus erstrecken, in der tatsächlich Insekten vorhanden waren.

Mikroben sind unerlässlich

Experimente mit sterilisiertem Boden halfen zu zeigen, dass die mikrobielle Gemeinschaft ein entscheidender Bestandteil des Prozesses war. Es reichte nicht aus, einfach Boden zu haben, der einmal von einer angegriffenen Pflanze bewohnt wurde, wenn die relevanten Mikroorganismen entfernt wurden.

Als die Forscher bestimmte Bakterien wiederherstellten, kehrte die Verteidigungsreaktion zurück. Dies legt nahe, dass Pflanzen die "Erinnerung" nicht alleine speichern. Der Effekt entsteht vielmehr durch eine Partnerschaft zwischen Pflanzen, Wurzelchemikalien und Bodenmikroben. Diese Beziehung könnte einen zuvor unterschätzten Teil der Pflanzenabwehrbiologie darstellen.

Mögliche Vorteile für die Landwirtschaft

Die Ergebnisse könnten letztendlich praktische landwirtschaftliche Anwendungen haben. Wenn bestimmte Kulturen den Bodenmikroben gezielt formen können, um die natürliche Schädlingsbekämpfung zu stärken, könnten Landwirte diese Beziehungen fördern, anstatt sich ausschließlich auf Breitspektrum-Insektizide zu verlassen.

Eine Kultur könnte möglicherweise dazu beitragen, Bodenbedingungen zu schaffen, die zukünftige Pflanzen für nützliche Insekten attraktiver machen. Das könnte die biologische Schädlingsbekämpfung unterstützen und den chemischen Einsatz reduzieren.

Die Forscher warnen jedoch davor, dass die Experimente nur eine Kultur und ein Schädlingsbekämpfungssystem umfassten. Es ist noch nicht bekannt, ob andere Pflanzen denselben Effekt erzeugen.

Die Studie verfolgte auch das Bodenerbe nur für einen Zyklus, daher müssen die Forscher noch bestimmen, wie lange der Schutz anhält. Feldversuche werden erforderlich sein, um zu prüfen, ob der Effekt verschiedenen Wetterbedingungen, unterschiedlichen Bodentypen und wiederholtem Anbau standhält.

Ein unterirdisches Partnerschaft

Die Studie trägt dazu bei, unser Verständnis dafür zu vertiefen, wie Pflanzen auf Gefahren reagieren. Ihre Verteidigungsmechanismen beschränken sich nicht nur auf Blätter, Dornen oder temporäre chemische Alarme. Sie können auch das mikroskopische Ökosystem unter ihnen modifizieren.

Für Kuhbohnen kann ein Insektenangriff mehr als beschädigte Blätter hinterlassen. Indem sie die Wurzelchemie ändern und die Bodenbakterien umformen, kann eine Generation Bedingungen schaffen, die der nächsten helfen, besser zu wachsen und natürliche Verteidiger anzulocken - wodurch der Boden selbst zu einem Teil des pflanzlichen Schutzsystems wird.