Pflanzen können rechnen

Normalerweise werden Pflanzen von Tieren und vom Menschen verspeist. Fleischfressende Pflanzen aber drehen den Spieß um: Sie sind auf Tiere als Zusatzernährung spezialisiert, um in Mooren oder an anderen nährstoffarmen Standorten überleben zu können. Die Venusfliegenfalle (Dionaea muscipula) zum Beispiel: Sie hat ihre Blattspitzen zu tellerförmigen Fallen ausgebildet und sie mit Sensoren ausgestattet. Damit kann sie Fliegen und andere schnelle Insekten erkennen, fangen und verdauen.

Die Innenseite der Fallen ist mit einem Rasen aus rotgefärbten Drüsen bedeckt. Diese blütenartige Erscheinung lockt im Verein mit Fruchtdüften viele Insekten an. Auf der Suche nach Nektar kommen die Besucher meist unausweichlich mit den drei Sinneshaaren in Berührung, die auf jeder Fallenhälfte sitzen. Die Pflanze entscheidet dann anhand der Zahl der Berührungen, ob die Falle zuschnappt und ob die Verdauungssäfte fließen – sie kann also zählen.

Das hat ein internationales Forschungsteam um den Biophysiker Professor Rainer Hedrich von der Julius-Maximilians-Universität Würzburg herausgefunden. Die Arbeit des Teams ist in der renommierten Fachzeitschrift Current Biology veröffentlicht.

Bei „Zwei“ klappt die Falle zu

Wird ein Sinneshaar auf der Venusfliegenfalle nur leicht bewegt, meldet es den ersten Beutekontakt über ein bio-elektrisches Signal. „Ein einzelnes Signal löst aber noch keine Reaktion aus – es könnte sich ja um einen Fehlalarm handeln“, sagt Hedrich. Doch schon bei der zweiten Bewegung klappt die Falle blitzschnell zu.

Würde ein Beutetier nun ruhig bleiben, gäbe es kein weiteres Signal. In diesem Fall öffnet sich die Falle nach einem halben Tag wieder. Weil die gefangenen Tiere sich aber heftig wehren, lösen sie dadurch ein wahres Signalfeuer aus, das ihr Schicksal endgültig besiegelt.

Denn die Venusfliegenfalle kann weiterzählen. Das fand Hedrichs Mitarbeiter Sönke Scherzer heraus. Er hat gemessen, dass ein gefangenes Insekt in der Falle rund 60 Signale pro Stunde auslöst. Um die Berührungsreize nachzuahmen, stieß Scherzer einzelne Sinneshaare ein bis 60 Mal pro Stunde an und prüfte, was passiert.

Ab „Fünf“ fließt der Verdauungssaft

Das Ergebnis: Zwei oder mehr Reize setzen den Signalweg des Berührungs- und Wundhormons Jasmonat JA in Gang. Bei fünf und mehr Signalen aktiviert die Pflanze zusätzlich in all ihren 37.000 Drüsen die Gene für Verdauungsenzyme. Diese Aktivierung bleibt aus, wenn vor der mechanischen Stimulierung der Jasmonat-Signalweg experimentell unterdrückt wird. „Damit haben wir belegt, dass das elektrische Signal in den Drüsen in ein hormonelles Signal umgewandelt wird“, so Hedrich.

Fünf und mehr Signale kurbeln zusätzlich die Transportmoleküle an, die für die Aufnahme der verdauten Insekten in die Pflanze sorgen. Auf der Suche nach diesem Mechanismus fiel der Würzburger Doktorandin Jennifer Böhm ein Gen auf, das sowohl durch die Berührung der Sinneshaare als auch durch das Hormon Jasmonat aktiviert wird. Sie konnte nachweisen, dass es sich um einen Ionenkanal handelt, der Natrium transportiert. Dieses Nährsalz fällt beim Verdauen der Insekten in großen Mengen an.

Rechnen kann die Pflanze auch

„Wir haben uns dann gefragt, ob die Falle berechnen kann, wie viele Kanäle sie für den Abtransport von Natrium bereitstellen muss“, so Hedrich. Offenbar kann sie das: Je üppiger ein Beutetier ist, umso heftiger ist die Gegenwehr und umso häufiger werden die Sinneshaare gereizt. Die Venusfliegenfalle produziert dann entsprechend mehr Ionenkanäle als bei einer zaghaften Gegenwehr.

Bleibt die Frage nach ihrem Gedächtnis: Laut Hedrich kann sich die Venusfliegenfalle die Zahl der Beuteberührungen wenigstens vier Stunden lang merken. Nun wollen die Forscher die molekularen Grundlagen der Merkfähigkeit erkunden und erfahren, ob die Sinnesleistungen von Pflanzen und Tieren auf ähnlichen Grundprinzipien beruhen.

Förderung vom Europäischen Forschungsrat

Hedrich treibt die Erforschung der Venusfliegenfalle und anderer fleischfressender Pflanzen mit einer hochkarätigen Förderung voran: Im Jahr 2010 hat der Europäische Forschungsrat (ERC) ihm dafür einen „Advanced Grant“ über 2,5 Millionen Euro bewilligt. Im ERC-Projekt „Carnivorom“ ist Hedrichs Team den Genen auf der Spur, die Pflanzen zu Fleischfressern machen.

„The Venus flytrap Dionaea muscipula counts prey-induced action potentials to induce sodium uptake“, Böhm, J., Scherzer, S., Krol, E., Kreuzer, I., von Meyer, K., Lorey, C., Mueller, T.D., Shabala, L., Monte, I., Solano, R., Al-Rasheid, K.A.S., Rennenberg, H., Shabala, S., Neher, E., Hedrich, R., Current Biology, January 21, 2015, DOI 10.1016/j.cub.2015.11.057

Prof. Dr. Rainer Hedrich, Lehrstuhl für Botanik I (Pflanzenphysiologie und Biophysik), Universität Würzburg, T (0931) 31-86100, hedrich@botanik.uni-wuerzburg.de