Verletzte Pflanzen schlagen unter der Erde schneller Alarm als bislang bekannt. Beißt eine Insektenlarve in eine Wurzel, bricht dort der Innendruck zusammen, und diese Druckwelle rast mit rund 75 Millimetern pro Sekunde durch das Wurzelsystem. Forscher der Universität Würzburg haben entschlüsselt, wie benachbarte Wurzeln die Welle in ein Warnsignal übersetzen. Dabei zeigt sich, dass die Wurzel nach eigenen Regeln funktioniert.
Im Boden sind Pflanzenwurzeln einer ständigen Bedrohung ausgesetzt. Larven von Käfern, Fadenwürmer und andere Schädlinge fressen sich durch das Wurzelgewebe, ohne dass an der Oberfläche zunächst etwas zu sehen ist. Für Landwirte sind solche versteckten Schäden besonders tückisch, weil sie oft erst bemerkt werden, wenn die Pflanzen welken und die Ernte bereits leidet. Wie sich Pflanzen über der Erde gegen Fraßfeinde wehren, ist gut erforscht. Wird ein Blatt angeknabbert, breiten sich elektrische Signale und Kalziumwellen durch den Spross aus und lösen in entfernten Blättern die Bildung von Abwehrstoffen aus. Was dagegen unter der Erde geschieht, wenn eine Wurzel verletzt wird, blieb lange ein Rätsel. Genau dieser Frage ist ein Team am Julius-von-Sachs-Institut der Universität Würzburg nachgegangen, das die Kommunikation zwischen einzelnen Seitenwurzeln im Detail verfolgt hat.
Als Modell diente die Ackerschmalwand, Arabidopsis thaliana, die in der Pflanzenforschung eine ähnliche Rolle spielt wie die Maus in der Medizin. Entscheidend für die Studie ist eine physikalische Eigenschaft pflanzlicher Zellen, der Turgor. Damit bezeichnen Biologen den Innendruck, mit dem das Zellwasser gegen die feste Zellwand drückt. Er ist in Pflanzen sehr hoch und verleiht Stängeln, Blättern und Wurzeln ihre Festigkeit, ähnlich wie Luft einem aufgepumpten Reifen. Wird eine Zelle verletzt, entweicht dieser Druck schlagartig. Das Team um den Postdoc Angel Baudon und den Botaniker Rainer Hedrich wollte wissen, ob Pflanzen genau diesen Druckabfall als Alarmsignal nutzen und wie die Information an unverletzte Nachbarwurzeln gelangt. Dazu verletzten die Forscher gezielt einzelne Seitenwurzeln und maßen, wie sich elektrische Spannung und Kalzium in den übrigen Wurzeln veränderten.
Sobald eine Wurzelzelle verletzt wird, fällt der Druck in ihrem Inneren sofort ab. Dieser Druckverlust pflanzt sich als Druckwelle durch das Gefäßsystem fort, mit einer Geschwindigkeit von etwa 75 Millimetern pro Sekunde. Das ist rund 10.000-mal schneller als die Ausbreitung der bisher beschriebenen Kalziumwellen, wie die Universität Würzburg in ihrer Mitteilung zur Studie berichtet. Innerhalb von Millisekunden erreicht die Nachricht auf diese Weise benachbarte Wurzeln, die selbst noch völlig unversehrt sind. Dieser Vorsprung ist für die Pflanze wertvoll, denn ein Schädling, der eine Wurzel angreift, wandert oft zur nächsten weiter. Je früher die übrigen Wurzeln ihre Abwehr hochfahren, desto besser sind sie auf den Angriff vorbereitet. Die Pflanze nutzt damit ein physikalisches Prinzip, das deutlich schneller arbeitet als jede chemische Botschaft.
Doch wie wird aus einem physikalischen Druckabfall eine biologische Botschaft? Die Antwort liefern winzige Proteine in der Zellmembran, die wie mechanische Drucksensoren arbeiten. Als entscheidenden Empfänger identifizierten die Forscher den mechanosensitiven Kanal MCA1. Er registriert die Druckwelle in den benachbarten Wurzeln und wandelt den mechanischen Reiz in elektrische Impulse und Kalziumsignale um. Anschließend übernehmen glutamatähnliche Rezeptoren der Typen GLR3.3 und GLR3.6 die Rolle von Verstärkern. Sie greifen das ursprüngliche Signal auf und vertiefen die elektrische Umpolung der Zellmembran, die Depolarisation. Am Ende der Kaskade steht die Bildung von Stresshormonen, mit denen sich die intakten Wurzeln auf den bevorstehenden Angriff einstellen. Damit fügt die Studie ein Puzzleteil ein, das in der Signalkette der Wurzel bislang fehlte, und erklärt, wie aus einem Riss in einer Zelle eine Abwehrreaktion im ganzen Wurzelbereich wird.
Bemerkenswert ist, wie unterschiedlich Spross und Wurzel mit Warnsignalen umgehen. Im oberirdischen Teil der Pflanze spielt ein anderer Kanal, der Anionenkanal MSL10, die Hauptrolle, in der Wurzel dominiert dagegen der kalziumleitende Kanal MCA1. Auch die Reichweite folgt eigenen Regeln. In Blättern breiten sich Warnsignale oft über große Entfernungen aus, ohne nennenswert schwächer zu werden. In der Wurzel nimmt die Signalstärke dagegen mit wachsender Entfernung vom Ort der Verletzung exponentiell ab. Die Forscher halten diese räumliche Begrenzung für biologisch sinnvoll. Weil der Boden kompakt ist, kommen Schädlinge darin deutlich langsamer voran als Insekten auf einer Blattoberfläche. Es dürfte daher genügen, vor allem die nähere Umgebung einer Verletzung in Alarmbereitschaft zu versetzen, statt das gesamte Wurzelsystem gleichzeitig auf Abwehr umzustellen.
Eine weitere Entdeckung betrifft die Frage, was bei wiederholten Angriffen geschieht. Mithilfe der Optogenetik lösten die Forscher Kalziumsignale in intakten Wurzelzellen aus, allein durch Licht und ohne die Pflanze zu verletzen. Pflanzen, die solche Signale mehrfach erlebt hatten, reagierten später auf Glutamat oder eine echte Verletzung mit deutlich schwächeren elektrischen Antworten. Die Wurzel nahm den Schaden also weiterhin wahr, reagierte aber gedämpft. Dieser Effekt zeigte sich nicht nur an der verletzten Wurzel, sondern auch an ihren Nachbarn. Die Autoren vermuten, dass Kalziumsignale helfen, die Reaktion der Pflanze auf wiederholte oder benachbarte Schäden zu koordinieren. Veröffentlicht ist die Arbeit in der Fachzeitschrift Science Advances mit einer Beschreibung der MCA1-Kanäle, die den Signalweg Schritt für Schritt dokumentiert.
Die Versuche fanden an der Modellpflanze im Labor statt, ob Nutzpflanzen wie Mais, Weizen oder Kartoffeln denselben Mechanismus nutzen, muss sich erst zeigen. Die Forscher sehen dennoch strategische Ansätze für die Agrarforschung. Wer versteht, wie Nutzpflanzen mechanische Schäden an der Wurzel wahrnehmen, kann die natürliche Widerstandskraft gegen wurzelfressende Insekten gezielter durch Züchtung verbessern. Langfristig könnte das helfen, den Einsatz chemischer Pflanzenschutzmittel zu verringern. Welche Prozesse sich unsichtbar unter der Oberfläche abspielen, überrascht die Forschung immer wieder, etwa bei Wüstenböden, die nachts Kohlendioxid binden und tagsüber wieder abgeben. Für die Würzburger Botaniker ist das Wurzelsystem jedenfalls kein stummes Organ mehr, sondern ein Netz, das Gefahren in Millisekunden weitermeldet.
Science Advances, MCA1 mechanosensitive channels enable fast communication of wound signals between lateral roots; doi:10.1126/sciadv.aef2202