Pflanzen sind schlauer als gedacht

Ob es nun die besondere Hingabe bei der Pflege ist oder eine tatsächliche Reaktion auf die Worte, eines steht fest: Blumen, mit denen gesprochen wird, wachsen, blühen und gedeihen meist besser als solche, die stumm gepflegt werden. Forscher, der Ruhr-Universität, Bochum, entdeckten im Jahr 2013, dass Pflanzen Sinneszellen haben, die den Glutamatrezeptoren im Gehirn von Menschen und Tieren ähneln. Sie publizierten die Ergebnisse ihrer Forschung in der Zeitschrift "Science Signaling". Bedeutet die Entdeckung, dass sich Menschen und Pflanzen miteinander verständigen können?

Der Unterschied zwischen menschlichen und pflanzlichen Rezeptoren

Das Gehirn von Tier und Mensch befinden sich überwiegend gut geschützt, im Kopf, an einer Stelle im Körper. Es ist die Schaltzentrale für alle Funktionen des Systems. Es ermöglicht eine Verständigung mit der Außenwelt und viele andere Funktionen, im Zusammenspiel von Körper, Geist und Seele. Damit alle diese Dinge reibungslos funktionieren, hat das Gehirn Rezeptoren (im Folgenden Sinneszellen genannt), die sich in Bruchteilen von Sekunden miteinander verständigen und so ein flüssiges Zusammenspiel von Gehirn, Muskeln, Knochen, Sehnen und allen Organen, ohne bewusstes Nachdenken, ermöglichen. Die Sinneszellen im Gehirn von Menschen und Tier reagieren, so erkannten die Biochemiker der Ruhr-Universität Bochum, mit Kollegen der Universität Würzburg und der landwirtschaftlichen Universität Chinas, in Peking, nur auf die Aminosäure Glutamatrezeptoren, in anderen Wesen.
Im Unterschied dazu sind die Sinneszellen bei Pflanzen, über den gesamten Körper verteilt. Sie erkennen keine Aminosäure Glutamatrezeptoren, aber eine Menge anderer Aminosäuren, die einen neuartigen, nie erforschten Signalmechanismus in Pflanzenzellen aufzeigen, so Hollmann. Wer aber aus der Anwesenheit solcher Sinneszellen bei Pflanzen schlussfolgert, dass das "Pflanzengehirn" dem von Menschen und Tieren ähnelt, ist fehlgeleitet.
Schon vor 15 Jahren entdeckten Forscher die Glutamat ähnlichen Sinneszellen (GLRs) im Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana). Im Jahr 2013 gelang es dem Team der Ruhr Universität Bochum, (RUB), unter der Leitung der Biochemiker Professor Dr. Michael Hollmann und Dr. Daniel Tapken, die zugehörigen Botenstoffe, für einen der insgesamt 20 GLRs, zu identifizieren.

Experiment mit tierischen und pflanzlichen Sinneszellen

Um zu ergründen, ob und wie tierische und pflanzliche Sinneszellen miteinander kommunizieren, wurden pflanzliche Sinneszellen, für eine Analyse, in Frosch-Eizellen eingebaut. Dazu mussten die glutamatähnlichen Rezeptor aus Pflanzenzellen isoliert werden. Anschließend wurden sie in eine unbefruchtete Frosch-Eizelle, die keine ähnlichen Sinneszellen besitzt, eingebaut. Laut Hollmann ist es kaum möglich, den Rezeptor direkt in der Pflanze zu untersuchen, weil dort zu viele Prozesse gleichzeitig laufen und die entscheidenden Signale nicht eindeutig sind und nur schwer herausgefiltert werden können. Es ist der Ackerschmalwand, de den Wissenschaftlern als Forschungsobjekt diente. Glutamat ähnliche Sinneszellen der Ackerschmalwand erkennt viele Aminosäuren. Am wirksamsten ist Methionin, eine Aminosäure, die die Pflanze selbst herstellt und die vom Menschen, durch die Nahrung, aufgenommen werden muss. Im Test wurde bekannt, dass, wenn die Pflanzen, durch eine Mutation, den Rezeptor AtGLR1.4 nicht mehr enthielten, sie kaum noch auf Methionin reagieren.

Pflanzenrezeptoren funktionieren wie ein Kanal

Daniel Tapken erklärt, wie sich der Rezeptor AtGLR1.4 verhält: In vieler Hinsicht reagiere er wie die Glutamatrezeptoren im menschlichen Gehirn. Durch einen Botenstoff wird der Zugang zum Übertragungskanal, eine Pore, geöffnet. So können positiv geladene Teilchen in die Zelle strömen und ein elektrisches Signal aussenden. Als eine Besonderheit ist anzusehen, dass nicht alle Aminosäuren so reagieren. Manche sind in der Lage, das Signal zu unterdrücken, indem sie Methionin vom Rezeptor verdrängen. "Warum Pflanzen Methionin und ähnliche Aminosäuren erkennt, ist noch völlig unklar", so der Biochemiker weiter. "Es könnte sein, dass sie auf diese Weise auf Nährstoffquellen in der Umgebung reagiert, die Aminosäuren enthalten. Es ist aber auch möglich, dass die Pflanze selbst gezielt Aminosäuren als Botenstoffe herstellt, um Signale zu übertragen – ähnlich wie es im menschlichen Gehirn geschieht."

Jede Pflanze ist einzigartig

Jede Pflanze hat ihren eigenen forensischen Fingerabdruck. Es kann die Einzigartigkeit jeder Pflanze genutzt werden um sie zu identifizieren. Die menschliche DNA ist dieser Bestimmung gleich zu setzen. 

Warum wurde der Acker-Schmalwand zu dieser Forschung erkoren?

Die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) stammt aus der Familie der Kreuzblütler und ist, als Wildkraut, besonders in Asien, aber auch in Europa, auch unter dem Namen Schotenkresse oder Gänserauke bekannt. Die Pflanze ist in der Biologie seit den 1940er Jahren als Modellorganismus bei Wissenschaftlern beliebt, weil:

• Ihr Erbgut von 135 Mbp (Abkürzung für: Myelin-Basisches Protein), überschaubar ist und darum Veränderungen darin schnell erkannt werden können
• Die Pflanze nur fünf Chromosomenpaare hat, von denen es detaillierte Karten als Anschauungsmaterial gibt. Forschungsergebnisse sind, aus diesem Grund, schnell nachzuvollziehen.
• Der Generationszyklus, von der Keimung des Samens bis zu seiner Reife, nur acht Wochen beträgt. Deshalb sind die Forschungszyklen kurz.
• Die Pflanze sich auf kleinem Raum kultivieren lässt. Es sind keine riesigen Umbauten erforderlich
• Schon viele Mutanten bekannt sind und die Samen bei den Stock-Centern bestellt werden können. Das Rad muss nicht immer wieder neu erfunden werden, sondern die Forscher können sich auf die Beantwortung ihrer Fragen konzentrieren
• Die Langzeitaufbewahrung der Samen unkompliziert ist
• Eine genetische Manipulation der Pflanzen durchgeführt werden kann
• Dieses Gewächs repräsentiert die Physiologie höherer Pflanzen, zum Beispiel in der Lichtphysiologie, gut.

Es gibt nur wenige Pflanzen, die alle diese Vorteile haben und auch noch gut darstellen, wie Licht in Pflanzen gespeichert wird.

Wie im Hirn, so in der Pflanze?

Wie bei allen wissenschaftlichen Entdeckungen entstehen, wenn ein Rätsel gelöst ist, unzählige weitere Fragen. Nachgewiesen ist, dass die Ackerschmalwand und die Frosch-Eizelle miteinander kommuniziert haben. Schnell fragt sich der Laie: Welche Konsequenzen hat die Entdeckung für den Alltag? Sprechen Tiere zukünftig mit den Pflanzen, bevor sie diese verzehren? Haben Pflanzen vielleicht Sensoren, die den Tieren ein Auffinden ermöglichen? Muss die Gattung der Pflanzen im Allgemeinen, ganz anders gesehen werden? Sind sie nicht nur die bunt blühenden Objekte, die unser Auge und Herz erfreuen, Sauerstoffspender sind und dazu auch noch lecker schmecken? Können Pflanzen, die Frage wird mit einem Augenzwinkern gestellt, irgendwann einmal, gemeinsam mit den Tieren eine Zweckgemeinschaft gegen die Menschen bilden?
In einem Symposium in Washington diskutierten Wissenschaftler im Jahr 2013 darüber, wie Pflanzen und Organismen sich mit Insekten, Bakterien und niederen Gattungen, wie zum Beispiel Schimmelpilzen, verständigen.
Das alles sind Fragen, die bisher noch unbeantwortet blieben, die vielleicht schon in naher Zukunft von der Wissenschaft beantwortet werden.

So kommunizieren Pflanzen untereinander

In einem Artikel der Zeitschrift GEO, wird auf eine Studie ist in der renommierten Fachzeitschrift "Trends in Plant Science", der von Daniel Robert (Bristol), Stefano Mancuso (Florenz) und Monica Gagliano (Perth), verfasst wurde, hingewiesen. Demnach fanden die Forscher heraus, dass es bei Pflanzen noch weitere Kommunikationskanäle, als nur die biochemischen Warnungen vor Fressfeinden, gibt.
Welche Beobachtungen wurden gemacht?
Es waren wiederkehrende, regelmäßige Knackgeräusche, im Bereich von rund 220 Hertz, gemessen an den Wurzeln von Getreidepflanzen, die das Interesse von Monica Gagliano erregten. Im Anfang deutete sie diese Signale als Geräusche, die beim Wachsen des Getreides entstehen können. Nachdem die Frequenz von 220 Hertz bestimmt war, merkte die Wissenschaftlerin auf. Es ist genau diese Frequenz, nach deren Schallquelle sich Pflanzen in ihrem Wachstum ausrichten. Diese Reaktion beweist, so die Forscherin, dass Pflanzen sensible "Organe" besitzen, die auf Schallwellen reagieren. Demnach werden die Knacklaute als Kommunikationssignal zwischen zwei Pflanzen gewertet. Bisher noch unbeantwortet bleiben die Fragen, wie die Geräusche erzeugt werden und welche Informationen mit ihnen transportiert werden.

Titelbild: Monika Hermeling, Zierzwiebeln im Schneckengarten in Sigmaringen

Pflanzenkommunikation bisher noch einseitig

Wie Biochemiker in den letzten Jahren publizierten, können sie die biochemischen Signale die Pflanzen aussenden, immer besser verstehen. Auf einer internationalen Wissenschaftskonferenz in Washington tauschten sie diesbezüglich, untereinander, neu erlernte Vokabeln aus. Ihre Erkenntnis: Pflanzen und Insekten kommunizieren tatsächlich untereinander. Sie nehmen Informationen aus der Umwelt auf und geben sie dann weiter. Nach ihrer Erfahrung erfolgt die Verständigung auch unter der Erde über die Wurzeln der Gewächse.
Der Direktor des Max-Planck-Institutes für chemische Ökologie, in Jena, Ian Baldwin, erläuterte, nach seinem Vortrag in Washington, dass jetzt noch zu wenig bekannt sei, wie die Pflanzen Signale aus der Umwelt empfangen. Er ergänzt seine Information dahingehend, dass von dem gasförmigen Hormon Ethylen bekannt sei, über welchen Rezeptor es von den Pflanzen wahrgenommen werde. Es sei gelungen, den Ethylenrezeptor in Pflanzen zu blockieren. Die Folge sei, dass diese Mutationen nicht mehr auf Signal dieses Hormons reagieren. In der Praxis helfe diese Blockierung, Früchte länger haltbar zu machen.

Was Ethylen in Pflanzen bewirkt

Wenn Äpfel zum Beispiel reifen, strömen sie das Gas Ethylen aus. Im Umkehrschluss ist es logisch, dass Früchte, in denen der Ethylenrezeptor deaktiviert wurde, mehr Zeit zum reifen benötigen.

Das bedeutet, dass die so behandelten Bananen, Tomaten und anderen Früchte aus fernen Ländern, unbeschadet transportiert und gelagert werden können.