Warum Mimosen so sensibel sind

Video: Eine Heuschrecke löst das Falten von Mimosenblättchen aus. Anhand von Fluoreszenzbildern konnten die Forscher die Rolle von Calciumionen bei der Signalübertragung zeigen. © Masatsugu Toyota/Saitama-Universität

Der sprichwörtlichen Sensibilität auf der Spur: Forscher bringen mit fluoreszierenden Markern buchstäblich Licht in die Mechanismen, die zum schnellen Falten der Ohrmuscheln der Mimose führen. Das System basiert also auf der Signalfunktion von Calciumionen und Änderungen des elektrischen Potentials. Nach der Stimulation breiten sich die Signale in der Pflanze aus und verursachen die Bewegungen in den Blattgelenken. Auch den Zweck des Effekts konnten die Forscher erklären: Heuschrecken fraßen von gefalteten Mimosenblättern nur halb so viel wie von künstlich immobilisierten Exemplaren.

Sie ist berühmt für ihre Sensibilität und ihre für Pflanzen erstaunlich schnellen Reaktionszeiten: Berührt man eine Mimose (Mimosa pudica), spaltet sie innerhalb von Sekunden die gefiederten Untereinheiten ihrer Blätter, sodass nur noch dünne Strukturen übrig bleiben. Ähnlich schnelle Bewegungen kennt man von den Fangorganen fleischfressender Pflanzen wie der Venusfliegenfalle. Doch mit diesen tollwütigen Pflanzen hat die Mimose nichts zu tun – sie ist ein friedlicher Vertreter der Hülsenfrüchte. Obwohl die Grundfunktionen ihres Bewegungssystems bekannt sind und es auch Vermutungen über seinen Zweck gibt, gab es bisher keine genaueren Studien dazu. Deshalb hat ein japanisches Wissenschaftlerteam die herausragende Pflanze nun mit modernen Forschungsmethoden untersucht.

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Frühere Forschungen haben Hinweise darauf gegeben, dass elektrische Potentialänderungen und Calciumionen (Ca2+) eine Signalfunktion im Bewegungssystem haben. Um dieser Spur nachzugehen, haben die Wissenschaftler eine spezielle Forschungslinie an Mimosen entwickelt: Sie tragen ein Gen, das für die Herstellung eines Sensors verantwortlich ist. Es ist ein Protein, das einen hellen fluoreszierenden Effekt verursacht, wenn die Konzentration von Calciumionen im Gewebe ansteigt. So erklären die Forscher, dass diese Ionen mit dem von Spezialkameras aufgenommenen Fluoreszenzlicht in Echtzeit verfolgt werden können. Gleichzeitig maßen sie auch die möglichen Veränderungen mit Elektroden an den Blättern.

Signale auf der Straße

Der gleichzeitige Nachweis von Konzentrationserhöhungen von Calcium-Ionen in der Zellflüssigkeit und die jetzt dokumentierten elektrischen Signale: Nach der Stimulation eines Blattes breiten sich die Erhöhung der Calcium-Ionen-Konzentration und die Potentialänderungen systematisch mit ähnlicher Geschwindigkeit aus – sie sind räumlich und zeitlich . in Verbindung gebracht Der Impuls breitet sich vom Stimuluspunkt mit etwa 1,31 Millimetern pro Sekunde aus. Dann trifft er auf die sogenannten Pulvini. Dies sind Gelenkelemente an der Basis jedes Flügelpaars.

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Das Signal löst dann in den Zellen dieser Pulvini einen Wasserwechsel aus, der zu Druckänderungen in den Gelenken führt, erklären die Forscher. Dadurch biegen sich die Blättchen und schließen sich mit dem Gegenstück auf der anderen Seite zusammen, das ebenfalls reagiert. Das Signal wird dann an nachfolgende Pulvini übertragen. Die Calcium-Ionen spielen offenbar eine fundamentale Rolle in dem System, wie weitere Ergebnisse erklärten: Behandelten die Forscher die Blätter ihrer Testpflanzen mit Substanzen, die die Funktionen der Ionen hemmten, kam es zu keiner Signalweiterleitung und auch die Blattbewegungen stoppten. Das Funktionsprinzip sei aber noch nicht abschließend geklärt, schreiben die Forscher: Die molekularen Mechanismen, die für die Änderungen der Konzentration von Calciumionen und der elektrischen Signale verantwortlich sind, seien noch unklar.

Schutz vor Insektenfraß

Im zweiten Teil der Studie widmete sich das Team dann einer eher praktischen Frage: Welchen Zweck erfüllt das Bewegungssystem für die Pflanze? Früher glaubte man, dass die Reaktion Schädlinge irritiert oder ihren Appetit beeinträchtigt. Um zu überprüfen, inwieweit das stimmt, haben die Wissenschaftler erneut eine spezielle Forschungslinie zu Mimosen entwickelt. In diesem Fall schalteten sie ein Gen aus, das für die Bewegungsfunktion der Pulvini notwendig ist. Diese Mutante behält daher die Ausbreitungsposition ihrer Blättchen nach der Challenge bei. Auf diese Versuchspflanzen sowie auf „normale“ Kontrollpflanzen setzten die Wissenschaftler Heuschrecken und zeichneten auf, wie viel Blattmasse die Insekten verzehrten.

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Die Forscher berichten, dass die dominanten Pflanzen, die auf die Schädlinge mit dem Schließen ihrer Blätter reagierten, nur halb so viel Blattmasse verloren wie die immobilisierte Mimose. „Unterm Strich konnten wir nun zeigen, dass die schnellen Bewegungen, die auf der Diffusion von Calciumionen und elektrischen Signalen beruhen, die Mimose vor Insektenbefall schützen“, sagt Seniorautor Masatsugu Toyota von der Saitama University.

Quelle: Universität Saitama, Artikel: Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-022-34106-x

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