Pflanzen können unterscheiden, wann eine Berührung beginnt und endet.

31. Mai 2023

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von der Washington State University

Selbst ohne Nerven können Pflanzen erkennen, wenn etwas sie berührt und wenn es loslässt, wie eine von der Washington State University geleitete Studie herausfand.

In einer Reihe von Experimenten reagierten einzelne Pflanzenzellen auf die Berührung eines sehr feinen Glasstabs, indem sie langsame Wellen von Calciumsignalen an andere Pflanzenzellen sendeten, und wenn dieser Druck freigesetzt wurde, sendeten sie viel schnellere Wellen. Obwohl Wissenschaftler wussten, dass Pflanzen auf Berührungen reagieren können, zeigt diese Studie, dass Pflanzenzellen unterschiedliche Signale senden, wenn die Berührung begonnen und beendet wird.

"Es ist erstaunlich, wie feinfühlig Pflanzenzellen sind, dass sie diskriminieren können, wenn etwas sie berührt. Sie spüren den Druck, und wenn er abnimmt, spüren sie den Druckabfall", sagte Michael Knoblauch, Biowissenschaftsprofessor an der WSU und leitender Autor der Studie in der Zeitschrift Nature Plants. "Es ist überraschend, dass Pflanzen dies auf eine sehr unterschiedliche Weise als Tiere tun können, ohne Nervenzellen und auf einer wirklich feinen Ebene."

Knoblauch und seine Kollegen führten eine Reihe von 84 Experimenten an 12 Pflanzenarten durch, die auf Ackerschmalwand und Tabakpflanzen spezialisiert gezüchtet waren, um Calciumsensoren zu enthalten, eine relativ neue Technologie. Nachdem sie Teile dieser Pflanzen unter einem Mikroskop platziert hatten, brachten sie eine leichte Berührung auf einzelne Pflanzenzellen mit einem Mikrohebel auf, im Grunde genommen ein winziger Glasstab von der Größe eines menschlichen Haares. Sie sahen viele komplexe Reaktionen, abhängig von Kraft und Dauer der Berührung, aber der Unterschied zwischen Berührung und Lassen war klar.

Innerhalb von 30 Sekunden nach der Berührung einer Zelle sahen die Forscher langsame Wellen von Calciumionen, sogenanntem zytosolischem Calcium, die von dieser Zelle durch die angrenzenden Pflanzenzellen reisten und etwa drei bis fünf Minuten anhielten. Das Entfernen der Berührung zeigte eine nahezu sofortige Abfolge von schnelleren Wellen, die innerhalb einer Minute abklangen.

Die Autoren glauben, dass diese Wellen wahrscheinlich auf die Veränderung des Drucks innerhalb der Zelle zurückzuführen sind. Im Gegensatz zu tierischen Zellen mit durchlässigen Membranen haben Pflanzenzellen auch starke Zellwände, die nicht so leicht zu durchbrechen sind, so dass bereits eine leichte Berührung vorübergehend den Druck in einer Pflanzenzelle erhöht. Die Forscher testeten die Drucktheorie mechanisch, indem sie eine winzige Glasdrucksonde in eine Pflanzenzelle einführten. Eine Erhöhung und Verringerung des Drucks in der Zelle führte zu ähnlichen Calciumwellen, die durch den Beginn und das Ende einer Berührung ausgelöst wurden.

"Menschen und Tiere spüren Berührungen über sensorische Zellen. Der Mechanismus bei Pflanzen scheint über diese Erhöhung oder Verringerung des internen Zelldrucks zu erfolgen", sagte Knoblauch. "Und es spielt keine Rolle, welche Zelle es ist. Wir Menschen benötigen Nervenzellen, aber bei Pflanzen kann dies jede Zelle auf der Oberfläche tun."

Zuvorige Forschungen haben gezeigt, dass wenn ein Schädling wie ein Raupenbiss auf ein Pflanzenblatt gesetzt wird, er die Abwehrreaktionen der Pflanze auslösen kann, wie die Freisetzung von Chemikalien, die Blätter weniger schmackhaft oder sogar giftig für den Schädling machen. Eine frühere Studie zeigte auch, dass das Bürsten einer Pflanze Calciumwellen auslöst, die verschiedene Gene aktivieren.

Die aktuelle Studie konnte zwischen den Calciumwellen bei Berührung und nach dem Lassen unterscheiden, aber wie genau die Gene der Pflanze auf diese Signale reagieren, bleibt abzuwarten. Mit neuen Technologien wie den in dieser Studie verwendeten Calciumsensoren können Wissenschaftler beginnen, dieses Geheimnis zu entwirren, sagte Knoblauch.

"In zukünftigen Studien müssen wir das Signal auf eine andere Weise auslösen als bisher, um zu wissen, welches Signal, ob Berührung oder Loslassen, nachfolgende Ereignisse auslöst", sagte er.

Journal information: Nature Plants

Provided by Washington State University