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Wenn Pflanzen sich verteidigen müssen, greifen sie meist zu vergleichbaren Waffen

Wenn Pflanzen sich verteidigen müssen, greifen sie meist zu vergleichbaren Waffen

Aphids feeding on a plant stem Aphids feeding on a plant stem Aphids feeding on a plant stem
Es gibt neue Beweise dafür, dass verschiedene Pflanzenarten ähnliche Abwehrstrategien gegen saugende Insekten wie die hier abgebildeten Blattläuse anwenden (Fotokredit: Christophe Blouin, Pixabay).

Eine neue Meta-Analyse unter der Leitung von Dr. Daniel Leybourne, Postdoktorand am Institut für Geobotanik an der Leibniz Universität Hannover, legt nahe, dass Pflanzen, die gegen bestimmte Schadinsekten resistent sind, übereinstimmende Abwehrstrategien anwenden, die zur Entwicklung insektenresistenter Pflanzensorten genutzt werden könnten.

Insektenschädlinge stellen für Landwirte auf der ganzen Welt ein großes Produktionsproblem dar, da sie Ernteschäden verursachen und die Ernteerträge verringern. Es wird erwartet, dass diese negativen Auswirkungen als Reaktion auf den Klimawandel noch zunehmen werden; einigen Klimaprognosen zufolge könnten die durch Insekten verursachten Ertragseinbußen bei einem Temperaturanstieg von 1°C um 10 % zunehmen. Pestizide sind das gebräuchlichste Mittel zur Bekämpfung herbivorer Schadinsekten, haben jedoch erhebliche negative Auswirkungen auf die Umwelt und die menschliche Gesundheit und tragen zum weltweiten Rückgang der Nutzinsekten bei. Der breite Einsatz von Pestiziden hat auch die Entwicklung pestizidresistenter Insektenpopulationen begünstigt, was die Nutzpflanzen noch angreifbarer für Schädlingsbefall macht. 

Einige Pflanzen haben jedoch besondere Eigenschaften entwickelt, um sich gegen Insekten zu schützen. Die Abwehreigenschaften dieser so genannten resistenten Pflanzen bieten eine Alternative zur Bekämpfung von Insektenschädlingen mit Pestiziden. Indem sie vergleichen, wie sich Schadinsekten von resistenten  gegenüber anfälligeren Pflanzen ernähren, können Forscher feststellen, welche physikalischen, ernährungsphysiologischen, chemischen und molekularen Eigenschaften Pflanzen nutzen, um sich zu schützen. Die Identifizierung dieser Eigenschaften kann dann zur Entwicklung von schädlingsresistenten Pflanzensorten führen, die weniger auf den Schutz durch Pestizide angewiesen sind.

Es gibt zahlreiche Studien über pflanzliche Abwehrmechanismen gegen Insekten, aber es ist nach wie vor unklar, inwiefern verschiedene Pflanzengruppen dieselben Verteidigungsstrategien anwenden und ob diese Strategien gegen verschiedene Gruppen von Schadinsekten wirksam sind. Leybourne und Co-Autorin Dr. Guðbjörg Inga Aradóttir, Entomologin am National Institute of Agricultural Botany im Vereinigten Königreich, gingen dieser Frage nach, indem sie die Ergebnisse von 129 Studien zusammenfassten, in denen untersucht wurde, wie sich mehr als 30 Pflanzenarten gegen Dutzende verschiedener Insektenarten verteidigen.

Leybourne erklärt: "Nach mehreren Gesprächen mit Dr. Aradóttir darüber, wie sich verschiedene Pflanzen gegen unterschiedliche Insektenarten verteidigen, stellten wir fest, dass wir ähnliche Beobachtungen machten, die darauf hindeuteten, dass in verschiedenen Pflanzengruppen ähnliche Abwehrmechanismen vorhanden zu sein schienen. Wir wollten dies weiter untersuchen, indem wir einen Schritt zurücktraten und das Gesamtbild betrachteten. Wir beschlossen, dass dies am besten durch eine Meta-Analyse geschehen sollte, eine statistische Technik, die dazu dient, gemeinsame Trends und Muster in mehreren Studien zu erkennen. Unser Ziel war es, eine recht einfache Frage zu beantworten: Sind die Abwehrmechanismen, die von resistenten Pflanzen eingesetzt werden, in verschiedenen Pflanzengruppen ähnlich, und sind diese Abwehrmechanismen bei verschiedenen Pflanzen-Insekten-Kombinationen gleich?"

Leybourne und Aradóttir konzentrierten sich auf die pflanzlichen Abwehrmechanismen gegen saugende Insekten wie Blattläuse, Weiße Fliegen und Heuschrecken, die zu den wirtschaftlich schädlichsten Insektengruppen gehören und zu denen es umfangreiche Forschungsergebnisse gibt. Pflanzensaft saugende Insekten verwenden spezialisierte  Mundwerkzeuge (Stilett), um  Leitungsbahnen oder Gewebe anzustechen und die Nährstoffressourcen der Pflanze abzusaugen, was die Pflanze direkt schädigen und die Übertragung von Pflanzenpathogenen erleichtern kann.

Die Meta-Analyse ergab erstmals, dass mehrere Pflanzenfamilien dieselben  Abwehrmerkmale gegen bestimmte Insektengruppen einsetzen. So nutzen beispielsweise Kohlgewächse und Gräser ähnliche Strategien, um sich vor Blattläusen zu schützen. Die Autoren fanden heraus, dass insektenresistente Pflanzen in der Regel einen höheren Gehalt an bestimmten organischen Chemikalien sowie eine höhere Dichte an haarähnlichen Strukturen (Trichomen) auf ihren Blättern aufweisen. Diese Abwehrstrategien scheinen es den Insekten zu erschweren, die Pflanze anzustechen oder zu sondieren und an den Pflanzensaft zu gelangen, und sie sind in der Regel gegen viele Arten von saugenden Insekten wirksam. Diese Gemeinsamkeiten deuten darauf hin, dass es möglich sein könnte, Pflanzensorten zu entwickeln, die eine breite Resistenz gegen Insekten aufweisen. Es sind jedoch eingehendere Studien auf Ebene der Pflanzen- und Insektenarten erforderlich, um festzustellen, ob verschiedene Insektenarten innerhalb derselben Familie oder Gruppe ähnlich auf die Pflanzenabwehr reagieren.

"Wir waren wirklich ermutigt, als sich unsere anfängliche Beobachtung bestätigte, dass die pflanzlichen Abwehrstrategien, die zur Verteidigung gegen eine Blattlausart in einer Pflanzenart eingesetzt werden, die gleichen sind wie die, die in anderen Pflanzen-Aphiden-Kombinationen verwendet werden. Die überraschendste und aufregendste Erkenntnis war die Beobachtung ähnlicher Trends bezüglich  anderer  saugenden Insekten, nicht nur  Blattläusen. Dies deutet darauf hin, dass Pflanzen ähnliche Mechanismen nutzen, um sich zu schützen, unabhängig von der Insektenart, vor der sie sich schützen. Dies ist eine wirklich wichtige Entdeckung, die für die Entwicklung von Pflanzensorten genutzt werden kann, die gegen vielfältige Insektenschädlinge resistent sind, und wir hoffen, dass sie als eine Grundlage für künftige Pflanzenzüchtungsforschung dienen wird", erklärt Leybourne.

Dieses Open-Access-Manuskript, das in Scientific Reports veröffentlicht wurde, wurde durch ein Alexander von Humboldt Postdoktoranden-Stipendium unterstützt.

Original Publikation: Leybourne, D.J., Aradottir, G.I. Common resistance mechanisms are deployed by plants against sap-feeding herbivorous insects: insights from a meta-analysis and systematic review. Sci Rep 12, 17836 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-20741-3