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Raupenangriff!

Tomaten schlagen elektrisch Alarm

Tomatenfrüchte informieren ihre Mutterpflanze über einen Schädlingsbefall. (Bild: Denisfilm /iStock; Ausschnitt: Eulenfalter-Raupe, Bild: Hhelene/iStock)

Früchte sind an eine Art „pflanzliches Nervensystem“ angeschlossen, berichten Biologen: Wenn Tomaten von Raupen angefressen werden, senden sie elektrische Warnsignale an ihre Mutterpflanze, geht aus Analysen der Reaktionen mittels künstlicher Intelligenz hervor. Die Signalübertragung kann anschließend offenbar in der gesamten Pflanze biochemische Alarmreaktionen auslösen, sodass sie sich durch Abwehrmaßnahmen vor weiteren Angriffen wappnen kann. Detailliertere Einblicke in dieses System könnten zur Entwicklung von innovativen Pflanzenschutz-Strategien führen, sagen die Wissenschaftler.

Was zwickt mich denn da? Berührungsreize oder Schmerzen können uns bekanntlich vor Gefahren warnen und Abwehrreaktionen auslösen. Manchmal merken wir so etwa, dass uns eine Stechmücke anzapfen will und schlagen dann zu. Möglich wird dies durch unser Nervensystem, das Hautreizungen durch elektrische Impulse an unser Gehirn vermittelt. Pflanzen besitzen zwar keine Nerven, doch Studien der letzten Jahre haben gezeigt, dass auch sie elektrische Signale zur Informationsvermittlung nutzen. Die Funktion der Nerven übernehmen dabei die Leitgefäße, die Wasser und Nährstoffe in der Pflanze transportieren und umverteilen. Durch Ausschüttungen von geladenen Molekülen können diese Fernleitungen ähnlich wie Nerven elektrische Signale zwischen weit voneinander entfernten Teilen der Pflanze vermitteln.

Das pflanzliche „Nervensystem“ im Visier

Frühere Studien haben bereits gezeigt, dass Blätter bei Beschädigung elektrische Impulse aussenden, die zu systemischen Reaktionen in der Pflanze führen. Die genaue Bedeutung und Funktion dieser Signalübertragungen sind aber noch immer wenig erforscht. So war bisher auch unbekannt, inwieweit Früchte an dieses Kommunikationsnetz angeschlossen sind. Die Besonderheit ist dabei, dass diese Organe im Gegensatz zu den fotosynthetisch aktiven Blättern nur Nährstoffe zugeführt bekommen – sie scheinen Einbahnstraßen des Leitungssystems zu sein. „Dennoch sind auch Früchte lebende Teile einer Pflanze und möglicherweise funktional komplexer, als wir bisher annehmen“, sagt Gabriela Niemeyer Reissig von der Federal University of Pelotas in Brasilien.

Um auszuloten, inwieweit auch diese Organe mit der Mutterpflanze über elektrische Signale kommunizieren, haben sie und ihre Kollegen Untersuchungen an Tomatenpflanzen durchgeführt. Ihre roten Gebilde gelten zwar als Gemüse, doch botanisch betrachtet handelt es sich um eine Frucht – eine Beere. Um Veränderungen der elektrischen Potenziale zu erfassen, brachten die Forscher Elektroden an den Enden der Äste an, die die Früchte mit der Pflanze verbinden. Anschließend setzten sie
Schädlinge gezielt auf die Tomaten, die 24 Stunden lang an ihnen fressen durften. Es handelte sich dabei um Eulenfalter-Raupen, die für ihren Appetit auf Tomate, Erdbeere und Co berühmt-berüchtigt sind.

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KI verdeutlicht elektrische Signalmuster

Für den Vergleich der elektrischen Reaktionen vor, während und nach dem Befall, setzten die Forscher Verfahren des maschinellen Lernens ein. Diese Form der künstlichen Intelligenz kann Muster in Signalen aufzeigen. Wie die Forscher berichten, zeigten die Analysen einen deutlichen Unterschied zwischen den Signalen vor und nach dem Angriff. „Wir konnten dokumentieren, dass Früchte Bedrohungen wie einen Raupenangriff dem Rest der Pflanze mitteilen können, was wahrscheinlich andere Teile auf den gleichen Angriff vorbereiten kann“, sagt Niemeyer Reissig. Dies ging aus weiteren Untersuchungsergebnissen hervor: Die Wissenschaftler erfassten typische biochemische Alarmreaktionen in den Versuchspflanzen wie Ausschüttungen von Wasserstoffperoxid. Dabei zeigte sich, dass diese Reaktionen auch in Teilen der Pflanzen ausgelöst wurden, die weit entfernt vom Schaden durch die Raupen lagen.

Die Wissenschaftler betonen, dass es sich bei den Ergebnissen um einen grundlegenden Einblick in das System handelt: Ihre Messungen liefern bisher nur einen Gesamteindruck der elektrischen Signaltransduktion. Zukünftig wollen sie nun aber durch die Anwendung des maschinellen Lernens das pflanzliche Informationssystem noch genauer entschlüsseln. Zudem wollen sie untersuchen, inwieweit die Reaktionen von Tomaten auch bei anderen Pflanzenarten auftreten und ob es Unterschiede bei verschiedenen Arten von Bedrohungen gibt.

Möglicherweise eignet sich die Untersuchung von elektrischen Signalübertragungen bei Pflanzen sogar für die Diagnostik in der Landwirtschaft, sagen die Forscher: „Wenn Studien wie unsere weiter voranschreiten und die Techniken zur Messung elektrischer Signale in offenen Umgebungen weiter verbessert werden können, wird es vielleicht möglich sein, den Befall mit Schädlingen früh zu erkennen, was weniger aggressive Bekämpfungsmaßnahmen und ein genaueres Insektenmanagement ermöglicht“, sagt Niemeyer Reissig. „Zu verstehen, wie Pflanzen mit ihren Früchten interagieren, könnte zudem Möglichkeiten aufzeigen, wie man das System günstig beeinflussen kann, um die Qualität von Früchten, ihre Resistenz gegenüber Schädlingen oder die Haltbarkeit nach der Ernte zu verbessern“, so die Wissenschaftlerin.

Quelle: Frontiers, Fachartikel: Frontiers in Sustainable Food Systems, doi: 10.3389/fsufs.2021.657401

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