Trickreiche Methode im Nachbarschaftsstreit: Tabakpflanzen schicken hungrige Raupen zur Konkurrenz

Eigentlich würde man vermuten, dass Pflanzen Nachteile entstehen, wenn sie sich erst gegen Fraßfeinde wehren, wenn diese bereits erste Schäden hinterlassen haben.

Je schneller eine Pflanze reagiert, umso besser, sollte man meinen. Doch warum stellen manche Pflanzenarten ihre Abwehrstoffe erst nach mehreren Tagen her, nachdem sie etwa von Schmetterlingsraupen befallen werden?

Eine Erklärung liefert jetzt ein Forscherteam unter Leitung des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv), der Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU) und des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) im Fachmagazin The American Naturalist. Die Wissenschaftler haben sich mit dem Wilden Tabak (Nicotiana attenuata) beschäftigt, an dem die Raupen des Tabakschwärmers (Manduca sexta) mit Vorliebe fressen.

Um sich dagegen zu wehren, produzieren die Pflanzen chemische Abwehrstoffe, die für die Raupen giftig sind. Warum die Pflanzen damit aber einige Tage lang warten, nachdem eine Raupe aus ihrem Ei geschlüpft ist, konnten die Forscher nun mithilfe eines Computermodells auf Basis von Beobachtungsdaten klären.

Der Schlüssel liegt in der besonderen Ökologie des Wilden Tabaks. Die Art wächst in Wüstengebieten in den Vereinigten Staaten, wo Samen jahrelang im Boden auf ein Feuer warten, um dann alle gemeinsam zu keimen. Entsprechend hoch ist so die Konkurrenz zwischen den vielen gleich alten Tabakpflanzen um Wasser und Nährstoffe.

Muss sich eine Pflanze dann auch noch mit Fraßfeinden herumschlagen, bringt ihr dies große Nachteile. „Der Wilde Tabak hat allerdings eine trickreiche Möglichkeit gefunden, den ‚Schwarzen Peter‘ weiterzureichen: Die Pflanze schickt die Raupen kurzerhand zu ihren Nachbarn“, sagt Dr. Pia Backmann vom Forschungszentrum iDiv und dem Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ).

Und das klappt am besten, wenn die Raupen des Tabakschwärmers bereits einige Tage alt sind, wie das neue Modell von Pia Backmann zeigt. Davor sind sie nämlich noch zu klein und unbeweglich, um den Weg bis zu einer anderen Pflanze zu schaffen. Zudem fressen sie auch noch recht wenig, die entstehenden Schäden sind also gering.

Ab einem Alter von etwa zehn Tagen geht das Fressen aber richtig los: Ab jetzt konsumieren die Raupen weit über 90 Prozent der Blattmasse, die sie bis zu ihrer Verpuppung zum Schmetterling in einem Alter von etwa 21 Tagen zu sich nehmen werden.

Und sie sind jetzt groß genug, um auf eine andere Pflanze zu wechseln, wenn es ungemütlich wird, sprich: wenn ihre Wirtspflanze die Verteidigung hochgefahren hat. Aus diesem Grund startet die Pflanze optimalerweise erst etwa vier Tage nach dem Raupenbefall mit der Produktion von Giftstoffen. Bis die Abwehr vollständig aktiv ist, dauert es noch ein paar weitere Tage.

„Für die Tabakpflanzen gilt bei der Produktion von Abwehrstoffen also nicht ‚je schneller, desto besser‘“, sagt Prof. Nicole van Dam vom Forschungszentrum iDiv und der Universität Jena. „Stattdessen geht es darum, die Verteidigung zum richtigen Zeitpunkt zu aktivieren: Denn dann krabbelt die Raupe zur Nachbarin und schwächt diese – und die trickreiche Pflanze wird am Ende ihre Konkurrentin überragen.“

Wehrt sich die Pflanze hingegen zu früh, gelingt es ihr zwar vielleicht, die Raupe nach einigen Tagen zu töten. Doch da die Produktion der Abwehrstoffe Energie kostet, wird die Pflanze letztlich im Wachstum hinter ihren Artgenossen zurückbleiben. Setzt die Abwehr zu spät ein, bleibt die Raupe womöglich bis zur Verpuppung und richtet große Fraßschäden an, wodurch die Pflanze sogar sterben kann.

Dass sich die Raupen unter der Wirkung der Abwehrstoffe langsamer entwickeln und öfter sterben, hatte Prof. Nicole van Dam gemeinsam mit Prof. Ian Baldwin, Forscher am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, MPI-CE, und ein Mitglied von iDiv, bereits in vorangegangenen Laborversuchen herausgefunden.

Dabei hatte sich auch gezeigt, dass es sich für Raupen auf Pflanzen mit aktivierter Verteidigung bezahlt macht, auf eine andere Pflanze zu wechseln, die noch keine Abwehrstoffe produziert. Dass es sich aber aus Sicht der Pflanze um eine Strategie zur Bewältigung von innerartlicher Konkurrenz handelt, sich ein paar Tage lang anfressen zu lassen und erst dann zu verteidigen, konnte erst mithilfe des neuen Computermodells geklärt werden.

Erstautorin Pia Backmann hat die Studie am Forschungszentrum iDiv sowie dem UFZ durchgeführt, die Beobachtungsdaten hat sie während eines Aufenthaltes in der Feldstation des MPI-CE in den USA gesammelt. Mittlerweile arbeitet Pia Backmann als Postdoktorandin an der Technischen Universität Dresden.
Tabea Turrini

Wilder Tabak und Tabakschwärmer:

Der Wilde Tabak (Nicotiana attenuata) ist verwandt mit jenen Pflanzenarten, die zur Produktion von Rauchtabak genutzt werden. Früher wurde der Wilde Tabak von manchen Stämmen Amerikanischer Ureinwohner geraucht. Die Pflanze produziert permanent Nikotin, um Säugetiere oder andere nicht-spezialisierte Fraßfeinde abzuwehren.

Die auf den Wilden Tabak spezialisierten Raupen des Tabakschwärmers (Maduca sexta) können das Nikotin jedoch tolerieren (und sogar in ihren Körper anreichern, um sich ihrerseits vor Fressfeinden wie Vögeln oder Echsen zu schützen). Um sich gegen die Raupen zu verteidigen, produziert der Wilde Tabak Giftstoffe und so genannte Proteinase-Hemmer, welche die Raupen schwächen, ihr Wachstum hemmen und sie sogar töten können.

Zusätzlich verströmt die Pflanze bei Raupenbefall Duftstoffe, um Fraßfeinde der Raupe anzulocken. Die Verteidigungsmechanismen gegen die Raupen sind jedoch nicht permanent aktiv. Sie werden erst hochgefahren, nachdem die Pflanze eine Raupe registriert hat, wobei ihr deren Speichel als Hinweis dient.

Meist werden Tabakpflanzen von einer, manchmal auch von mehreren Raupen gleichzeitig befallen. Viele der Erkenntnisse zu den Wechselwirkungen zwischen dem Wilden Tabak und dem Tabakschwärmer gehen auf Forschungsarbeiten von Ian Baldwin, der seit mehr als 20 Jahren an diesem System forscht, und seiner Arbeitsgruppe zurück.

Frühere Medienmitteilungen zu einem ähnlichen Thema:
20. April 2017: Bergamoten – Verlockung und Verhängnis für Tabakschwärmer
Medienmitteilung des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie, Jena
https://www.ice.mpg.de/ext/index.php?id=1370&L=1

Ansprechpartner:

Prof. Nicole van Dam
Leiterin der Forschungsgruppe Molekulare Interaktionsökologie
Deutsches Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) Halle-Jena-Leipzig
Friedrich-Schiller-Universität Jena
Tel.: +49 341 9733165
E-Mail: nicole.vandam@idiv.de
Web: https://www.idiv.de/de/das_zentrum/mitarbeiterinnen/mitarbeiterdetails/eshow/van…

Dr. Pia Backmann
Deutsches Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) Halle-Jena-Leipzig
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ)
Max-Planck-Institut für chemische Ökologie
Technische Universität Dresden
Tel.: Bitte bei iDiv Medien und Kommunikation erfragen.
E-Mail: pia.backmann@ufz.de
Web: https://piabackmann.wordpress.com (persönliche Webseite)

Dr. Tabea Turrini
Medien und Kommunikation
Deutsches Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) Halle-Jena-Leipzig
Tel.: +49 341 9733106
E-Mail: tabea.turrini@idiv.de
Web: https://www.idiv.de/de/gruppen_und_personen/mitarbeiterinnen/mitarbeiterdetails/…

Prof. Nicole van Dam
Tel.: +49 341 9733165
E-Mail: nicole.vandam@idiv.de
Web: https://www.idiv.de/de/das_zentrum/mitarbeiterinnen/mitarbeiterdetails/eshow/van…

Dr. Pia Backmann
Tel.: Bitte bei iDiv Medien und Kommunikation erfragen.
E-Mail: pia.backmann@ufz.de
Web: https://piabackmann.wordpress.com (persönliche Webseite)

Pia Backmann, Volker Grimm, Gottfried Jetschke, Yue Lin, Matthijs Vos, Ian T. Baldwin, and Nicole M. van Dam (2019): Delayed Chemical Defense: Timely Expulsion of Herbivores Can Reduce Competition with Neighboring Plants. The American Naturalist 193:1, 125-139. https://doi.org/10.1086/700577

https://www.idiv.de/de/news/news_single_view/news_article/ingenious_te-3.html