Neuartige elektrische Signale "durchströmen" Pflanzen

Dieses als „systemisches Potenzial“ bezeichnete elektrische Signal wird von Blatt zu Blatt weitergegeben und durch Verwundung von pflanzlichem Gewebe ausgelöst. (Plant Physiology Vol. 149, März 2009)

Mithilfe von Feinglas-Mikroelektroden konnten elektrische Signale in Pflanzen gemessen werden, die von Blatt zu Blatt wanderten. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Signale in Form von Spannungsänderungen über Zellmembranen ausbreiteten, betrug zwischen 5 und 10 Zentimeter pro Minute.

Entdeckt wurde dieses bislang unbekannte elektrische Reizleitungssystem durch eine neuartige Methode: Die für die Messungen notwendigen, faserartigen Elektroden wurden, ohne das Blatt zu verletzen, durch geöffnete Stomata hindurch in die Blätter und dann auf die Zellwände des inneren Blattgewebes gesetzt. Stomata sind mikroskopisch kleine Öffnungen in der Blattoberfläche, die dem Wasserhaushalt und Gasaustausch dienen und die die Pflanze je nach Bedarf öffnen oder schließen kann.

Die Wissenschaftler fanden heraus, dass das von ihnen als „systemisches Potenzial“ bezeichnete elektrische Signal durch Verwundung ausgelöst und sogar moduliert werden kann. Wird ein Blatt der Pflanze verletzt, so ist der Reiz je nach Art und Konzentration zugegebener Kationen (beispielsweise Kalzium, Kalium oder Magnesium) unterschiedlich hoch und kann über lange Strecken in unverletzten Blättern gemessen werden. Nicht der Transport von Ionen über Zellmembranen, sondern die Aktivierung so genannter Protonen-Pumpen verursacht die Spannungsänderungen, die sich vom Blatt über den Spross bis zum nächsten Blatt fortpflanzen. „Somit ist das von uns gemessene „systemische Potenzial“ überhaupt nicht mit einem klassischen Aktionspotenzial zu vergleichen, wie man es in tierischen Nervenzellen oder auch in Pflanzen findet“, so Prof. Hubert Felle von der Universität Gießen. Aktionspotenziale folgen einer „Alles oder Nichts“ Regel, sie werden erst ab einem bestimmten Schwellenwert ausgelöst und verbreiten sich dann mit konstanter Stärke. Das „systemische Signal“ hingegen kann gleichzeitig Träger mehrerer Informationen sein: Die Stärke des auslösenden Stimulus (Wundsignal) kann den Ausschlag des systemischen Signals (Amplitude) beeinflussen, ebenso wie die Wirkung unterschiedlicher Ionen. „Damit sind wir vielleicht einer wichtigen Reizleitung auf der Spur, die auch durch Raupenfraß ausgelöst wird, die gesamte Pflanze alarmiert und ihre Verteidigung gegen den Schädling in Gange setzt, und dies innerhalb weniger Minuten“, so Axel Mithöfer vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena.

Das neuartige „systemische Signal“ konnte in fünf verschiedenen Pflanzenarten nachgewiesen werden, darunter die Nutzpflanzen Tabak (Nicotiana tabacum), Mais (Zea mays), Gerste (Hordeum vulgare) und Ackerbohne (Vicia faba). [JWK]

Originalveröffentlichung:
M. R. Zimmermann, H. Maischak, A. Mithöfer, W. Boland, H. H. Felle:
System potentials, a novel electrical long-distance apoplastic signal in plants, induced by wounding.

Plant Physiology 149, 1593-1600 (2009).

Kontakt:
Prof. Hubert H. Felle, Botanisches Institut, Justus-Liebig-Universität, Senckenbergstr. 17, D-35390 Gießen, Tel. +49 (0)641 99 35126; hubert.felle@bio.uni-giessen.de

Priv. Doz. Dr. Axel Mithöfer, MPI chemische Ökologie, Hans-Knöll-Str. 8, 07745 Jena, Tel.: +49 (0)3641 – 57 1263; amithoefer@ice.mpg.de

Das Max-Planck-Institut für chemische Ökologie
Chemische Ökologie ist eine junge Disziplin der Biologie. Wechselwirkungen, schädliche wie nützliche, werden durch chemische Signale zwischen Lebewesen vermittelt. Das Max-Planck-Institut für chemische Ökologie erforscht die Struktur und Funktion der Moleküle, die das Wechselspiel zwischen Pflanzen, Insekten und Mikroben steuern, und erzielt Erkenntnisse über Wachstum, Entwicklung, Verhalten und Ko-Evolution pflanzlicher und tierischer Arten. Ergebnisse dieser biologischen Grundlagenforschung werden für Naturstoffanalysen, moderne Umweltforschung und zeitgemäße Agrikulturverfahren genutzt. Das Institut verfügt über Forschungs-gewächshäuser, Klimakammern, Insektenzuchtanlagen, Geruchsdetektions-systeme, Windtunnel, neurophysiologische Analyseverfahren und eine Freilandstation.