Video: Ein Grashüpfer löst das Zusammenklappen der Fiederblättchen einer Mimose aus. Durch Fluoreszenzaufnahmen konnten Forscher die Rolle von Kalziumionen bei der Signalübertragung aufzeigen. © Masatsugu Toyota/Saitama University

Sprichwörtlicher Empfindlichkeit auf der Spur: Forscher haben durch Fluoreszenz-Marker buchstäblich erhellt, welche Mechanismen zum schnellen Einklappen der Fiederblättchen der Mimosen führen. Das System beruht demnach auf der Signalfunktion von Kalziumionen sowie Veränderungen des elektrischen Potenzials. Die Signale breiten sich nach einem Reiz in der Pflanze aus und verursachen in den Blattgelenken die Bewegungen. Zudem konnten die Forscher verdeutlichen, welchen Zweck der Effekt erfüllt: Von eingeklappten Mimosenblättern fraßen Grashüpfer nur halb so viel wie von künstlich immobilisierten Versionen.

Sie ist berühmt für ihre Sensibilität und ihre für Pflanzen erstaunlich schnelle Reaktionsfähigkeit: Wenn man eine Mimose (Mimosa pudica) berührt, klappt sie binnen Sekunden die gefiederten Untereinheiten ihrer Blätter zusammen, sodass nur noch dünne Strukturen übrigbleiben. Ähnlich schnelle Bewegungen sind von den Fangorganen fleischfressender Pflanzen wie der Venusfliegenfalle bekannt. Doch mit diesen rabiaten Gewächsen hat die Mimose nichts zu tun – sie ist eine friedliche Vertreterin der Hülsenfrüchtler. Die grundlegenden Funktionen ihres Bewegungssystems sind zwar bekannt und es gibt auch Annahmen über seinen Zweck – doch detailliertere Untersuchungen gab es dazu bisher nicht. Deshalb hat ein japanisches Wissenschaftler-Team das prominente Gewächs nun mit Mitteln der modernen Forschung unter die Lupe genommen.

Frühere Untersuchungen hatten Hinweise drauf geliefert, dass bei dem Bewegungssystem elektrische Potenzialänderungen sowie Kalziumionen (Ca2+) eine Signalfunktion besitzen. Um dieser Spur nachzugehen, haben die Wissenschaftler eine spezielle Forschungslinie der Mimosen entwickelt: Sie tragen ein Gen, das für die Produktion eines Sensors sorgt. Es handelt sich dabei um ein Protein, das einen leuchtenden Fluoreszenzeffekt verursacht, wenn die Konzentration der Kalziumionen im Gewebe ansteigt. So ließen sich diese Ionen über das mit speziellen Kameras erfasste Fluoreszenzlicht in Echtzeit verfolgen, erklären die Forscher. Parallel dazu maßen sie zudem die Potenzialveränderungen über Elektroden an den Blättern.

Signalen auf der Spur

Der gleichzeitige Nachweis von Erhöhungen der Konzentration von Kalziumionen in der Zellflüssigkeit sowie der elektrischen Signale dokumentierte nun: Nach der Reizung eines Blattes verbreiteten sich der Anstieg der Kalziumionen-Konzentrationen und die Potenzialveränderungen systemisch mit ähnlicher Geschwindigkeit – sie sind räumlich und zeitlich gekoppelt. Der Impuls breitet sich dabei von der Reizstelle mit etwa 1,31 Millimeter pro Sekunde aus. Er trifft dann auf die sogenannten Pulvini. Dabei handelt es sich um gelenkartige Elemente am Ansatz jedes Fiederblättchen-Paares.

In den Zellen dieser Pulvini löst das Signal dann eine Wasserverlagerung aus, die zu Druckveränderungen in den Gelenken führt, erklären die Forscher. In der Folge neigt sich das Fiederblättchen und schließt sich dabei mit dem ebenfalls reagierenden Pendant auf der anderen Seite zusammen. Anschließend überträgt sich das Signal dann auf nachfolgende Pulvini. Den Kalziumionen kommt offenbar in dem System eine grundlegende Rolle zu, wie zusätzliche Ergebnisse weiter verdeutlichten: Wenn die Forscher die Blätter ihrer Versuchspflanzen mit Substanzen behandelten, die Funktionen der Ionen behinderten, blieb die Signaltransduktion aus und es kam auch zu keinen Blattbewegungen mehr. Abschließend geklärt ist das Funktionsprinzip allerdings nun immer noch nicht, schreiben die Forscher: Die molekularen Mechanismen, die für die Veränderungen der Konzentration der Kalziumionen sowie der elektrischen Signale verantwortlich sind, bleiben nach wie vor unklar.

Schutz vor Insektenfraß

Im zweiten Teil der Studie ging das Team dann einer eher praktischen der Frage nach: Welchen Zweck erfüllt das Bewegungssystem für die Pflanze? Man nahm bereits an, dass die Reaktion Schädlinge irritiert oder ihnen den Appetit verdirbt. Um zu überprüfen, inwieweit das zutrifft, entwickelten die Wissenschaftler erneut eine spezielle Forschungslinie der Mimose. In diesem Fall hatten sie ein Gen ausgeschaltet, das für die Bewegungsfunktion der Pulvini nötig ist. Diese Mutante behält deshalb die ausgebreitete Stellung ihrer Fiederblättchen nach Reizungen bei. Auf diese Versuchspflanzen sowie auf „normale“ Kontrollen setzten die Wissenschaftler Heuschrecken und erfassten, wie viel Blattmasse die Insekten vertilgten.

So zeigte sich: Bei den Kontrollpflanzen, die mit Blattschließungen auf die Schädlinge reagierten, kam es nur zu halb so großen Verlusten an Blattmasse wie bei den immobilisierten Mimosen, berichten die Forscher. „Unterm Strich konnten wir somit nun verdeutlichen, dass die schnellen Bewegungen, die auf der Ausbreitung von Kalziumionen und elektrischen Signalen basieren, die Mimose vor Insektenangriffen schützen“, resümiert Senior-Autor Masatsugu Toyota von der Universität Saitama.

Quelle: Saitama University, Fachartikel: Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-022-34106-x

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