Wehrhafte Pflanzen

Nikotin als Waffe

Die wichtigste ihrer Waffen ist aber kein Duft, sondern Nikotin. Das Nervengift schädigt viele seiner tierischen Angreifer oder tötet sie. Besonders hoch ist die Nikotinkonzentration in den Zellen, die die Blütenkelche bilden: Ein einzelnes der dort lokalisierten Pflanzenhaare enthält zwischen 1,3 und 3,6 Mikrogramm des Alkaloids. Die Pflanze kann sogar die Konzentration an Nikotin auf das Zwei- bis Vierfache (im Extremfall auf das 14-Fache) anheben, sobald sie merkt, dass sie angefressen wird.

Doch das Nikotin schützt nicht immer beziehungsweise nicht mehr vollkommen. Denn etliche Angreifer haben schon Immunitäten entwickelt, darunter auch die Raupe des Tabakschwärmers.

Das bedeutet Gefahr, weil jene Tabakschwärmer, die als Bestäuber den Fortbestand der Art sichern, dadurch zugleich für die einzelne Pflanze den Tod bedeuten können. Denn viele der vom nächtlichen Duftbouquet angelockten Bestäuber legen gleichzeitig ihre Eier auf der Tabakpflanze ab. Aus diesen wachsen gefräßige Raupen, die die Pflanze übel zurichten können. Da das Nikotingift in diesem Fall nichts mehr ausrichtet oder zumindest keinen Schrecken mehr bedeutet, eskaliert die Tabakpflanze und zündet sozusagen die nächste Stufe. Sie setzt jetzt Terpene frei – einen äußerst starken Lockstoff. Diese Substanz wirkt nicht nur unmittelbar als weiteres Gift, sondern auch indirekt auf die Aggressoren: Sie alarmiert die Feinde der an ihr fressenden Raupen. Darüber hinaus informieren die Duftstoffe Artgenossen in der Umgebung: „Achtung: werde gerade von Raupen attackiert!“ Prompt kurbeln auch sie die Produktion der Abwehrstoffe an.

Willkommen sind der Tabakpflanze vor allem Raubwanzen, die gerne die Raupen und auch die Eier verspeisen. Kommen zu wenige davon, produziert die Pflanze zusätzlich noch Verdauungshemmer, die bewirken, dass den Raupen das Futter schwer im Magen liegt. Gleichzeitig zieht das Gewächs Nährstoffe aus den Blättern und speichert sie tief in den Stängeln. So bleiben die Raupen klein und schwach und sind leichtere Beute für ihre Feinde.

Ist die Tabakpflanze schwer verwundet, stellt sie komplett um. Sie schließt die Blüten nachts und gibt kaum noch Duftstoffe ab. So übersieht sie der Tabakschwärmer und legt keine weiteren Eier ab. Stattdessen öffnet der Tabak seine Blüten am Tag und wartet, dass er vielleicht von einem Kolibri entdeckt und bestäubt wird.

„Die Realität ist also sehr komplex, komplexer als lange Zeit gedacht“, sagt Matthias Erb vom Institut für Pflanzenwissenschaften der Universität Bern. Er forscht seit Jahren an den Wirkungsbeziehungen beim Wilden Tabak, die sich auftun, wenn die befallene Pflanze zum Beispiel die Zusammensetzung ihrer Duftstoffcocktails zu ändern beginnt. „Wir haben ausgesprochen rasche Anpassungen an veränderte Bedingungen; oft ändert sich das Duftbouquet, sobald die erste Raupe die Tabakpflanze anknabbert.“

Fachkollege Ian T. Baldwin, der den Bereich molekulare Ökologie am Max-Planck-Institut für Chemische Ökologie in Jena leitet, stimmt zu: „Die angefressene Pflanze kann unmittelbar umstellen und produziert und verbreitet dann vorzugsweise den Geruch des Fraßfeindes.“ Und lockt damit Raubinsekten an – getreu dem Motto: Der ärgste Feind meines Feindes ist mein bester Freund. Bei den herbeigerufenen Helfern handelt es sich in den meisten Fällen um Raubwanzen oder Schlupfwespen. Sie folgen den von der Pflanze gelegten Duftspuren, stechen die Raupen an und saugen sie aus oder legen ihre Eier in den Raupen ab, die dann Tage später eingehen.

Duftstoff vertreibt Blattläuse

Die Tabakpflanze kann oft ganz spezifisch reagieren und handeln. Verlustieren sich beispielsweise Blattläuse an ihren Blättern, setzt die Tabakpflanze den Duftstoff CBT-ol frei. Forschenden von der Technischen Universität München gelang es, ihn in Reinform herzustellen. Dann besprühten sie Weizensprösslinge damit. „Wie erhofft, hielten sich Blattläuse von den auf diese Weise behandelten Pflanzen fern – anders als von Vergleichspflanzen, die ohne Duftstoff heranwuchsen“, sagt Thomas Brück, der an der Hochschule den Bereich Synthetische Biotechnologie leitet. Die Idee dahinter: Wenn man den Duftstoff CBT-ol mit einer bioabbaubaren Trägersubstanz wie Rapsöl mischt, könnte man damit ganze Äcker umweltfreundlich vor Schädlingen schützen.

Wenn gefräßige Insekten sich auf Getreidepflanzen stürzen, reagiert der konventionelle Pflanzenschutz meist damit, Gift zu spritzen, das sämtliche Insekten tötet. Die Münchner haben sich zum Ziel gesetzt: vertreiben statt vernichten. In Großbritannien forschen seit gut einem Jahrzehnt ebenfalls Teams zu diesem Thema. Sabrina Touchet von der Cardiff University und Kollegen haben vor einiger Zeit erfolgreich damit begonnen, Abschreck-Düfte zu entwickeln. Diese sind molekular ähnlich aufgebaut wie die natürlichen Vorbilder, aber viel stabiler und zudem einfacher in größeren Mengen herstellbar.

Ihr Geruch schreckt Insekten in der Tat ab, wie Tests mit Blattläusen zeigten. Fortan mieden die kleinen Sauger jene Pflanzen, die mit dem Duftstoff behandelt worden waren. „Die Ergebnisse eröffnen uns eine Chance, natürliche Verbindungen so zu verbessern, dass sie draußen im Feld die Schadinsekten beeinflussen, sie irritieren, verwirren, vertreiben – aber nicht töten“, sagt Touchet. Der Vorteil: Solche Duftstoffe könnten nach Ansicht der Forschenden dazu beitragen, Schädlinge von Nutzpflanzen fernzuhalten, ohne sie vergiften zu müssen. Eine gute Nachricht in Zeiten massiven Insektensterbens und des damit verbundenen Verlustes wichtiger Bestäuber.

Es sind aber nicht nur die kleinen, eher zarten Pflanzen, die mithilfe von Düften kommunizieren. Auch Bäume nutzen spezifische Abwehrmechanismen und senden bei Befall durch Raupen und andere Pflanzenfresser Duftstoffe als Hilferuf aus. Es erscheinen: räuberische Insekten und – Vögel. In einem riesigen Freilandexperiment gelang es Forschenden vom Deutschen Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung Halle-Jena-Leipzig (iDiv) und weiteren vor Ort ansässigen wissenschaftlichen Einrichtungen erstmals, dies im natürlichen Lebensraum der Organismen zu zeigen: im 40 Meter hohen Kronendach des Leipziger Auwaldes.

Erkenntnisse spektakulärer Tierverhaltensexperimente in 40 Metern Höhe mit dem Kran gingen ebenso in die Gesamtergebnisse ein wie die Analyse Hunderter Duftproben, die während dieser Zeit von den Bäumen abgegeben wurden. Blätter wurden mit Raupenattrappen aus Plastik beklebt und die Biss- und Pickspuren durch Vögel und andere Räuber dokumentiert. Im Fraßtest zeigte sich unter anderem, dass die Schwammspinnerraupen bestimmte Blätter mieden – wegen eines Übermaßes an Abwehrstoffen, etwa Tanninen. Auch Bäume geben somit flüchtige Stoffe ab, um andere Teile der Pflanze in Alarmbereitschaft zu versetzen und vor allem, um Vögel und räuberische Insekten anzulocken.

„Letztlich steuern die chemischen Hilferufe ganz entscheidend die Zusammensetzung der Insektengemeinschaft Blätterdach, also des Ökosystems Baumkrone!“, sagt Martin Volf, der die Studien leitete und inzwischen am Biology Centre der Tschechischen Akademie der Wissenschaften arbeitet.

Häufig findet der Kontrahent ein Gegenmittel

Ob Baum oder Nutzpflanze: Die Prozesse von Evolution und Ko-Evolution greifen. Mal obsiegt der eine, mal der andere; und mag ein neuer Schritt in der Abwehrstrategie noch so geschickt sein: Auch dagegen findet der Kontrahent eines Tages ein Mittel. So hat der Berner Biologe Matthias Erb beobachtet, dass ein spezifischer, von der Pflanze produzierter Duft namens Indol – er wird unter anderem von Maispflanzen abgegeben, die von Raupen befallen sind – seine eigentliche Wirkung, Schlupfwespen als Helfer im Kampf gegen die Raupen herbeizurufen, plötzlich verlieren kann. „Die parasitären Nützlinge wurden nicht mehr angelockt, sobald die Fraßfeinde der Pflanzen, die Raupen, einmal mit den Duftstoffen Kontakt hatten“, sagt Erb: „Die Schmetterlingsraupen schienen sogar abstoßend auf die Schlupfwespen zu wirken, die sich ihnen nicht mehr näherten.“

Evolutive Prozesse scheinen hier im Zeitraffer zu verlaufen, denn die Raupen nutzen das Indol inzwischen gezielt für ihre Zwecke. Normalerweise halten sie sich eher fern von Pflanzen, die nach Indol duften. Ihr Verhalten ändert sich jedoch rapide, sobald Schlupfwespen in der Nähe sind. Dann nehmen die Raupen das Indol plötzlich bereitwillig auf – mit dem Effekt, dass sich nun die Schlupfwespen von ihnen fernhalten. Die gesamte Wirkungskette der Substanz kehrt sich somit um. „Wir haben nachgewiesen, dass die Schlupfwespen riechen können, ob die Raupen mit Indol in Kontakt waren oder nicht“, sagt Erb. Die Raupen machen sich folglich den pflanzlichen Signalstoff, der eigentlich gegen sie gerichtet ist, zu eigen und zunutze.

Aktuell finden Forschende immer mehr solcher Beispiele, bei denen Schädlinge die gegen sie gerichtete Abwehr überlisten und die Stoffe der Wirtspflanze teils chemisch umbauen und selbst einsetzen oder andere Wege finden, sie für sich zu nutzen. Das gilt auch für die gefürchteten Maisschädlinge wie den Westlichen Maiswurzelbohrer Diabrotica virgifera virgifera, der die Wurzel attackiert. Der ursprünglich aus Mittelamerika stammende Käfer lässt sich weder sonderlich von biologisch-chemischen Waffen beeindrucken noch von eigens gezüchteten, insektenpathogenen Fadenwürmern, sogenannten Nematoden.

Forschende des Max-Planck-Instituts für Chemische Ökologie in Jena und der Universität Bern fanden den Grund für das umfassende Scheitern der Bekämpfung in der Larve des Käfers. Sie kann giftige Abwehrstoffe, die die Maispflanze über ihre Wurzeln abgibt, chemisch umwandeln und in ungiftiger Form speichern. Bei Bedarf aktiviert sie diese wieder als Giftstoff und nutzt die mehrfach modifizierte Substanz zur eigenen Verteidigung. „Wir konnten zeigen, wie ein spezialisierter Schädling, der verheerenden Schaden anrichtet, die Hauptabwehrstoffe seiner Wirtspflanze missbraucht, um sich selbst vor seinen natürlichen Feinden im Boden zu schützen“, sagt die Leiterin der Studie, Christelle Robert.

Demnach fügt die Larve des Maiswurzelbohrers ein Zuckermolekül an ein Abbauprodukt des Benzoxazinoids und verhindert so, dass sich die giftigen Eigenschaften ausbilden. „Die Käferlarven geben die neue Verbindung direkt in den Boden ab, um dort die Nematoden abzuwehren, die als natürliche Antagonisten gegen die Schädlinge herbeigeholt werden“, erläutert die Forscherin.

Der Studie zufolge können die Käferlarven zudem die in ihrer Molekülstruktur umgebaute Form des Benzoxazinoids speichern und zu einem späteren Zeitpunkt in eine giftige Substanz umwandeln, um sich vor angreifenden Nematoden zu schützen. „Jetzt wissen wir, warum all die Versuche, den Schädling mit Nematoden zu bekämpfen, erfolglos bleiben: Der Maiswurzelbohrer nutzt die ursprünglich gegen ihn gerichteten Abwehrstoffe der Pflanze – und ist so bestens geschützt“, sagt Roberts.

Eine ähnliche Strategie verfolgt der heimische Jakobsbär (Tyria jacobaeae), ein Nachtfalter. Er verfügt inzwischen über ein Mittel gegen eines der lange Zeit wirksamsten Insektizide: die hochgiftigen Pyrrolizidin-Alkaloide der Pflanzen. Ursprünglich sollten diese Giftstoffe Insekten abwehren, die sich von Pflanzen ernähren. Inzwischen haben sich jedoch weltweit – evolutionär separat entwickelt – einige Insekten darauf spezialisiert, Pyrrolizidin-Alkaloide sogar aktiv aufzunehmen. Sie speichern das Gift in einer für sie ungefährlichen Form – wie der hierzulande weitverbreitete Jakobsbär, dessen Larven mit Vorliebe am Jakobsgreiskraut fressen. Obwohl diese Pflanze hohe Mengen der giftigen Pyrrolizidin-Alkaloide enthält, schadet das den Raupen nicht. Im Gegenteil: Sie wandeln das Gift so um, dass es für sie selbst nicht gefährlich ist. Wohl aber für deren Feinde – sollten diese die Raupen fressen.

Aus Pflanzengift werden Sexuallockstoffe

Einige mit dem Jakobsbär eng verwandte Bärenspinnerarten gehen sogar noch weiter. Sie stellen aus dem Pflanzengift Sexuallockstoffe her. Je mehr Lockstoff, desto attraktiver sind die Männchen. Denn bei der Fortpflanzung geben sie das Gift in einer noch immer für die Falter ungiftigen Form an die Weibchen weiter. Diese verwenden es nach erneuter chemischer Transformation, um damit die Eier zu versehen und zu schützen. Pyrrolizidin-Alkaloide nutzen übrigens nicht nur Falter. Längst wurden ähnliche Verhaltensweisen bei einigen Blattkäfer- und Heuschreckenarten nachgewiesen.

„Die Duftwahrnehmung der Insekten ist ein essenzieller und zugleich hochselektiver biologischer Prozess“, bringt es Michael Birkett vom englischen Agrarforschungsinstitut Rothamsted Research auf den Punkt. „Gelingt es, dieses Phänomen für die Kontrolle von Schädlingen zu nutzen, können wir den Einsatz von Pestiziden deutlich minimieren oder zumindest reduzieren.“ Und es wäre ein Meilenstein auf dem Weg zu einer Transformation der konventionellen Landwirtschaft. //