Elektrische Signale in Pflanzen messen

Blattläuse als lebende Strommessgeräte

Haben Pflanzen eine Art Nervensystem? Das ist nicht leicht herauszufinden, weil es keine guten Messmethoden gibt. Würzburger Pflanzenforscher nahmen dafür Blattläuse – und entdeckten, dass Pflanzen auf verschiedene Schädigungen jeweils anders reagieren.

Blattläuse stechen zielgenau in die Siebröhren der Pflanzen. Mit ihnen als Bio-Elektroden lassen sich die elektrischen Ströme messen, die dort fließen. (Bild: Jörg Fromm / Christian Wiese)

Wenn eine Pflanze mechanisch verletzt oder mit Kälte konfrontiert wird, schickt sie elektrische Impulse durch ihren Körper. In beiden Fällen legen die Signale größere Strecken zurück, und zwar zehn Zentimeter und mehr. Die Signale laufen von den verwundeten oder unterkühlten Stellen in alle anderen Organe, die dann passend reagieren – zum Beispiel indem sie Proteine synthetisieren, die Pflanzen vor Kälte schützen.

Eine Verletzung verursacht dabei völlig andere elektrische Signale als ein Kälteschock. Das hat der Biophysiker Prof. Rainer Hedrich von der Uni Würzburg mit seinem Team an der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) entdeckt.

Eine Schnittverletzung an einem Blatt löst relativ langsame elektrische Impulse aus, die sich über mehrere Minuten hinziehen. Kälteeinwirkung dagegen führte zu schnelleren, etwa 15 Sekunden kurzen Impulsen. „Diese Unterschiede sind für uns ein Hinweis darauf, dass die elektrischen Signale jeweils eine spezielle Bedeutung haben“, so Hedrich.

Elektrische Signale (Aktionspotentiale) laufen entlang der Siebröhren durch Blätter und andere Organe der Pflanzen. (Bild: Rosalia Deeken / Sönke Scherzer / Christian Wiese)

Elektrische Signale an den Siebröhren
Steckt hinter dieser Sache vielleicht ein ähnliches Prinzip wie beim Nervensystem des Menschen? Dort laufen elektrische Signale an spezialisierten Zellen entlang, überbrücken Synapsen und lösen am Ende eine Reaktion im Körper aus. Pflanzen allerdings haben kein Gehirn, keine Nervenzellen und keine Synapsen. Deshalb gebe es auch keine ernsthaften wissenschaftlichen Gründe, ihnen eine Intelligenz zuzuschreiben und eine „Pflanzenneurobiologie“ zu proklamieren, so Hedrich.

Anzeige

Trotzdem sind mittlerweile viele Wissenschaftler davon überzeugt, dass auch Pflanzen über elektrische Signale Informationen zwischen den Organen ihres Körpers austauschen. Hedrichs Arbeiten an der Venusfliegenfalle haben sogar gezeigt, dass diese fleischfressende Pflanze die gesendeten elektrischen Signale zählen kann und danach Entscheidungen fällt.

Messen lassen sich solche Signale in den Siebröhren. Das ist ein Leitungssystem aus miteinander gekoppelten Zellen, das sich wie ein Gefäßsystem durch die ganze Pflanze zieht und in dem ansonsten Zucker und andere Stoffe transportiert werden.

Messung der Signale bislang schwierig
Sind die Siebröhren das „grüne Stromkabel“ oder sogar eine Art „Nervensystem“ der Pflanze? Diese Einschätzung ist umstritten – was unter anderem einen methodischen Grund hat: Die Wissenschaft verfügt bislang über keine guten Werkzeuge, um in Pflanzen die Weiterleitung elektrischer Signale über größere Entfernungen zu messen.

Rainer Hedrich, Vicenta Salvador-Recatalà und Ingo Dreyer haben nun eine elegante Lösung für dieses Problem gefunden, die sie im Fachmagazin „Trends in Plant Science“ vorstellen: Die Pflanzenwissenschaftler benutzen Blattläuse als Bio-Sensoren. Sie haben dafür eine seit 1964 bekannte Methodik weiterentwickelt, bei der zwischen Blattlaus und Pflanze ein elektrischer Stromkreis erzeugt wird.

Läuse saugen im Dienst der Forschung
Wie das funktioniert? Blattläuse stechen sehr zielgenau in die Siebröhren von Pflanzen und saugen den zuckerhaltigen Saft. Klebt man ihnen einen feinen Draht an den Körper und verbindet ihn mit einer Elektrode, die in der Erde einer eingetopften Pflanze steckt, entsteht zwischen Laus und Pflanze ein Stromkreis. Über ihn lässt sich die Ausbreitung elektrischer Signale in den Siebröhren messen.

Mit dieser Methode gilt es nun viele Fragen zu klären. Wie und wo entstehen die Signale? Welche Informationen transportieren sie? Wo werden sie registriert und welche Reaktionen folgen darauf? Genug Arbeit also für die Würzburger Wissenschaftler – und auch für die Blattläuse, die im Dienst der Forschung stechen und saugen.

„Wir wollen aber auch versuchen, die ‚Bioelektroden‘ zu entlasten“, so Hedrich, „indem wir Gene für Membranpotential-sensitive Reporterproteine im Phloem exprimieren und so die elektrischen Ereignisse des gesamten ‚grünen‘ Schaltkreises einer Pflanze überwachen können.“

Publikation:
„Electrical Wiring and Long-Distance Plant Communication”, Rainer Hedrich, Vicenta Salvador Recatalà, Ingo Dreyer, Trends in Plant Science, 12. Februar 2016, DOI: 10.1016/j.tplants.2016.01.016.

Kontakt:
Prof. Dr. Rainer Hedrich
Lehrstuhl für Botanik I (Pflanzenphysiologie und Biophysik)
Universität Würzburg
E-Mail: hedrich@botanik.uni-wuerzburg.de

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige
Anzeige

Schnellster Feuchtebestimmer am Markt für Feuchte-/Feststoffgehalt

Der Feuchtebestimmer SMART 6 analysiert den Feuchtegehalt jeder Probe in nur 2 min. Ob nass oder trocken, Feststoff, Pulver oder Suspension – egal! Alle Probenarten werden dank der Kombination Mikrowelle/Halogen schnell und präzise bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Dank der Temperaturkontrolle sind die Messwerte vergleichbar zu den Standardmethoden.

mehr...
Anzeige

Pflanzengenome

Mechanismus zur Verdoppelung entdeckt

Polyploidisierungen könnten Pflanzen die Anpassung etwa an den Klimawandel erleichtern. Die genaue Kenntnis der zugrundeliegenden Prozesse birgt außerdem große Potenziale für die Züchtung von Nutzpflanzen. Dazu untersucht ein Hamburger...

mehr...

Pflanzenzüchtung

Getreide, das der Dürre trotzt

Ein internationales Konsortium unter der Leitung des „International Crops Research Institute for the Semi-Arid Tropics“ hat unter Beteiligung eines Forschungsteams um den Systembiologen Wolfram Weckwerth (Universität Wien) das Genom der...

mehr...
Anzeige

Schnelle automatisierte Lösemittel Extraktion

Das EDGE Extraktionssystem ist ein sequentielles System für die schnelle automatisierte Lösemittel-Extraktion. Damit werden unterschiedliche Proben schnell in nur 5 min. extrahiert. Die Extraktionen im EDGE werden unter Druck und bei erhöhten Temperaturen durchgeführt, was zu einer starken Beschleunigung der Reaktionskinetik führt.

Zum Highlight der Woche...

Newsletter bestellen

Immer auf dem Laufenden mit dem LABO Newsletter

Aktuelle Unternehmensnachrichten, Produktnews und Innovationen kostenfrei in Ihrer Mailbox.

AGB und Datenschutz gelesen und bestätigt.
Zur Startseite