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Venusfliegenfalle: Vom Opfer zum Angreifer

06.05.2016

Die fleischfressende Venusfliegenfalle ist eine erstaunliche Pflanze: Sie erkennt ihre Beute am Geschmack. In ihren Zellen gibt es ähnliche Strukturen wie im Darm des Menschen. Und sie hat im Lauf der Evolution den Spieß umgedreht, ist vom Opfer zum Angreifer geworden.

Die Venusfliegenfalle (Dionaea muscipula) ernährt sich von Insekten. Sie lockt ihre Opfer durch eine blütenähnliche rötliche Farbe und mit dem Duft von reifen Früchten auf ihre Blätter, die zu Klappfallen umgebaut sind. Wenn die Insekten dort Nektar suchen und dabei die hoch empfindlichen Sinneshaare auf den Blättern berühren, schnappt die Falle blitzschnell zu.


Venusfliegenfalle mit Drüsenrasen: Der Ausschnitt zeigt einzelne Drüsen unter dem Mikroskop, in der Zeichnung sind die drei Schichten einer Drüse mit ihren typischen Zelltypen dargestellt.

(Bilder: Dirk Becker / Sönke Scherzer)


Eine Venusfliegenfalle mit ihrem Drüsenrasen. Der Ausschnitt zeigt einzelne Drüsen unter dem Mikroskop.

(Bild: Sönke Scherzer)

Als nächstes stellt Dionaea fest, wie viel Energie sie in den Fang stecken will. Sie zählt, wie oft das Opfer die Sinneshaare berührt und schätzt so seine Größe ab. Ab zwei Berührungen aktiviert sie spezielle Hormone, ab fünf Berührungen stellt sie Enzyme und Transportproteine her, mit denen sie auf der einen Seite die Beute verdaut und auf der anderen die Nährstoffe aufnimmt.

Welche Gene machen die Falle zur Falle? Wie kam es dazu, dass sich die Pflanze im Lauf der Evolution auf tierische Kost verlegt hat? Die Würzburger Professoren Rainer Hedrich (Biophysik) und Jörg Schulz (Bioinformatik) haben das mit ihren Teams herausgefunden. In der Fachzeitschrift „Genome Research“ sind ihre Ergebnisse veröffentlicht.

Die Fliegenfalle ist ein Blatt mit Wurzelfunktion

Bei den Analysen kam zur Überraschung der zwei Forscher heraus, dass in der Fliegenfalle nicht nur blatt-, sondern auch wurzeltypische Gene aktiv sind. Wie aber kann die Falle gleichzeitig Blatt und Wurzel sein? Die Wissenschaftler fanden die Lösung in den mehreren 10.000 Drüsen, die dicht an dicht auf der Oberseite der Fallen sitzen.

Die Drüsen erheben sich wie kleine Kuppeln und sind aus drei Zellschichten aufgebaut. Die äußerste Schicht besteht aus Zellen, die für die Ausscheidung der Verdauungsenzyme zuständig sind. Darunter liegt eine Schicht, in der die Umhüllungen der Zellen vielfach in sich gefaltet sind – solche Strukturen zur Vergrößerung der Oberfläche findet man auch im Darm des Menschen. „Man kann davon ausgehen, dass hier die Nährstoffaufnahme stattfindet“, vermutet Hedrich.

In der dritten Schicht sind die Zellen mit Ölkörperchen vollgepackt. Hier könnte mittels Fettverbrennung die Energie gewonnen werden, die in den zwei äußeren Zellschichten verbraucht wird. Darauf deutet das Genaktivierungsmuster in Fallen hin, die ein Insekt gefangen haben.

Falle erkennt Insekten auch am Geschmack

Insekten sind durch einen Panzer aus Chitin geschützt. Die Venusfliegenfalle knackt diesen Schutzmantel mit speziellen Verdauungsenzymen. Deren Produktion läuft an, sobald die Sinneshaare Bewegungen registrieren. Sie ebbt ab, wenn die Haare nicht weiter stimuliert werden. Und bei wiederholten Stimulationen, wie sie von gefangenen Insekten ausgelöst werden, erhöht sie sich gleich über Tage hinweg, wie die Forscher herausgefunden haben.

Was aber, wenn das Beutetier bald nach dem Fang stirbt? Für die Venusfliegenfalle ist das kein Problem: In diesem Fall sorgt die Anwesenheit eines Chitin-Rezeptors dafür, dass die Enzyme weiter produziert werden – die Pflanze kann die Insekten gewissermaßen „schmecken“. Dabei erhöht das Chitin die Enzymproduktion sogar noch mehr als ein ausschließlich mechanischer Reiz.

Von Verteidigung zum Angriff gewechselt

Chitin verheißt der Venusfliegenfalle also Nahrung und lässt die Verdauungssäfte fließen. „Normalerweise bedeutet es Gefahr für Pflanzen, wenn sie mit Chitin in Kontakt kommen – in Gestalt von Insekten, die an ihr fressen, oder Pilzen, die an ihr schmarotzen wollen“, erklärt Hedrich. Als Folge davon werden Abwehrreaktionen in Gang gesetzt.

„Bei der Venusfliegenfalle wurden diese Abwehrprozesse im Lauf der Evolution umgesteuert. Sie nutzt sie jetzt, um selbst Insekten zu fressen“, so der Professor. Das haben die Forscher erkannt, indem sie bei der nicht-fleischfressenden Pflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) nach genau dem Muster der Genaktivierung suchten, das beim Beutefang der Venusfliegenfalle zu sehen ist.

Die größte Übereinstimmung im Muster tritt auf, wenn die Ackerschmalwand mechanisch verletzt wird oder wenn Insekten an ihr fressen. Auch die physiologischen Reaktionen ähneln sich: Eine Verwundung der Ackerschmalwand führt – ebenso wie die Berührung der Sinneshaare bei der Venusfliegenfalle – zu einem elektrischen Impuls, der das Hormon Jasmonat aktiviert.

Ab hier trennen sich dann die Signalwege: Zur Abwehr von Insekten bewirkt das Hormon die Produktion von Stoffen, die Insekten vergiften, abschrecken oder die Pflanzenblätter schwer verdaulich machen. Bei der Venusfliegenfalle dagegen bringt das Hormon die Verdauung der Beute und die Aufnahme der Nährstoffe in Gang.

Ziel des EU-Projekts „Carnivorom“ erreicht

„Damit haben wir unser Ziel erreicht und den molekularen Ursprung der fleischfressenden Lebensweise der Venusfliegenfalle entschlüsselt“, freut sich Hedrich. Dieses Ziel verfolgte er seit 2010 im Projekt „Carnivorom“, für das die Europäische Union 2,5 Millionen Euro bereitstellte (www.carnivorom.org).

„Als nächstes wollen wir das Erbgut von fleischfressenden Pflanzen, ihren protokarnivoren Vorläufern wie Plumbago und von Pflanzen vergleichen, bei denen sich karnivore und nicht karnivore Entwicklungsstadien wie bei Triphyophyllum abwechseln, oder der tropischen Liane Ancistrocladus, die vom Fleischfressen wieder abgekommen ist. „Am Ende wollen wir wissen, was Pflanzen genau brauchen, damit sie von Tieren leben können.

“Venus flytrap carnivorous life style builds on herbivore defense strategies“, Felix Bemm, Dirk Becker, Christina Larisch, Ines Kreuzer, Maria Escalante-Perez, Waltraud X. Schulze, Markus Ankenbrand, Anna-Lena Keller Van der Weyer, Elzbieta Krol, Khaled A. Al-Rasheid, Axel Mithöfer, Andreas P. Weber, Jörg Schultz, Rainer Hedrich. Genome Research, DOI 10.1101/gr.202200.115

Kontakt

Prof. Dr. Rainer Hedrich, Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie und Biophysik, Universität Würzburg, T (0931) 31-86100, hedrich@botanik.uni-wuerzburg.de

Weitere Informationen:

http://www.bot1.biozentrum.uni-wuerzburg.de/startseite/ Zur Website von Prof. Rainer Hedrich

Robert Emmerich | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

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