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Süßkartoffel warnt ihre Nachbarn bei Befall durch einen einzigen Duftstoff

Fraßschaden an den Blättern der Süßkartoffel Ipomoea batatas
Fraßschaden an den Blättern der Süßkartoffel Ipomoea batatas Anja Meents / Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

Ein einzelner, über die Luft verbreiteter Duftstoff kann ausreichend sein, um in Süßkartoffeln Abwehrmechanismen gegen pflanzenfressende Insekten auszulösen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben diesen Duftstoff identifiziert und zeigen, dass dieser Mechanismus nicht nur auf die befallene Pflanze begrenzt ist, sondern auch benachbarte, noch nicht befallene Pflanzen wappnen kann. Die Reaktion ist aber nicht bei allen Pflanzensorten zu beobachten, sondern spezifisch. Die Ergebnisse sind für die Züchtung resistenter Süßkartoffelsorten von Interesse.

Süßkartoffeln (Ipomoea batatas) werden bei uns immer beliebter: Ob als Suppe oder frittiert machen sie der nur sehr weit entfernt verwandten Kartoffel Konkurrenz. Wenn auch ernährungswirtschaftlich nicht so bedeutend wie die Kartoffel, ist die Süßkartoffel nahrhafter und vitaminreicher und insbesondere in Asien ein wichtiger Nährstofflieferant. Wie bei Kartoffeln gibt es auch bei Süßkartoffeln unterschiedliche Sorten, die sich in ihren Eigenschaften unterscheiden. Verschiedene Süßkartoffelsorten, die unter gleichen Bedingungen im Feld wachsen, weisen auffällige Unterschiede bei Fraßschäden und Insektenbefall auf. Eine Sorte, die Tainong 57 genannt wird, zeigte bereits in früheren Studien im Vergleich zur Sorte Tainong 66 eine höhere Resistenz gegen Pflanzenschädlinge im Feld. Bei Befall ist ein Duft wahrnehmbar, der von den verwundeten Blättern ausgeht. Forscherinnen und Forscher des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie und der National Taiwan University wollten herausfinden, ob die erhöhte Resistenz der einen Sorte mit dem Geruch in Zusammenhang steht. Insbesondere stellte sich ihnen die Frage, ob die Süßkartoffel Mechanismen zur Kommunikation und Aktivierung von Abwehrreaktionen über die Luft besitzt, wie es bereits für andere Pflanzenarten beschrieben wurde.

Zunächst untersuchten sie, was innerhalb einer Pflanze passiert, wenn sie von Fraßfeinden angegriffen wird. Pflanzen der resistenten Süßkartoffelsorte bilden direkt in den befallenen Blättern ein Pflanzenhormon, das für die Aktivierung der Abwehr wichtig ist, und geben ein Bouquet von Duftstoffen ab. Dadurch wird in weiter entfernten, noch nicht angefressenen Blättern von Tainong 57 gezielt ein Stoff (Sporamin) zur Hemmung der Verdauungsenzyme der angreifenden Insekten gebildet. Dieser Verdauungshemmer sorgt dafür, dass den Insekten regelrecht der Appetit vergeht. Gleichzeitig ist Sporamin auch das dominante Speicherprotein in der Süßkartoffelknolle und der Grund, warum diese vor dem Verzehr gekocht werden muss. In dem Duftstoffbouquet ist nur ein einziger Duftstoff für diese Abwehrreaktion verantwortlich, der DMNT heißt. „DMNT ist eine Terpen-Verbindung und riecht fast ein wenig wie Kräuterbalsam. Man könnte sich den Duft beim Saunaaufguss vorstellen“, beschreibt Anja Meents, die Erstautorin der neuen Studie und Doktorandin am MPI für chemische Ökologie, den Geruch. DMNT löst aber nicht nur in der befallenen Pflanze die Bildung des Abwehrproteins aus, sondern auch in benachbarten, von Insekten noch unberührten Pflanzen. Diese nehmen DMNT schnell und effizient wahr und wappnen sich so vor der nahenden Bedrohung.

„Die Überraschung war für uns, dass ein einzelner Duftstoff ausreicht, um in der Süßkartoffelsorte Tainong 57 eine spezifische Verteidigungsreaktion auszulösen, und gleichzeitig mit derselben Substanz auch mit benachbarten Pflanzen der gleichen Sorte über die Luft zu kommunizieren und Informationen weiterzutragen“, führt Axel Mithöfer, der Leiter der Arbeitsgruppe Physiologie der pflanzlichen Verteidigung aus. Interessanterweise gaben nur Pflanzen der resistenten Sorte Tainong 57 DMNT in größeren Mengen ab und nahmen den Duft wahr, während die Pflanzen der Sorte Tainong 66 deutlich weniger DMNT abgaben; selbst wenn DMNT zugegeben wurde, konnten Süßkartoffeln der anfälligen Sorte dies nicht in eine Abwehrreaktion umsetzen.

„Die Ergebnisse sind von großem landwirtschaftlichem Interesse, denn durch den konsequenten Anbau von Sorten wie Tainong 57 könnte man den durch Pflanzenfresser entstehenden Schaden auf natürliche Weise reduzieren“, erläutert Anja Meents das praktische Potenzial der Studie. Die gezielte Entwicklung von Sorten, die eine noch höhere natürliche Abgabe von DMNT haben bzw. DMNT noch effizienter wahrnehmen als die hier verwendeten Sorten, könnte darüber hinaus den Einsatz von Pestiziden weiter minimieren.

In weiteren Arbeiten möchte das Forscherteam jetzt genauer untersuchen, wie die Süßkartoffel Tainong 57 DMNT wahrnimmt und dieses Signal in Verteidigung umsetzt.

Max-Planck-Institut für chemische Ökologie


Originalpublikation:

Meents, A. K., Chen, S.-P., Reichelt, M., Lu, H.-H., Bartram, S., Yeh, K.-W., Mithöfer, A. (in press). Volatile DMNT systemically induces jasmonate-independent direct anti-herbivore defense in leaves of sweet potato (Ipomoea batatas) plants. Scientific Reports, 9, 17431, DOI:10.1038/s41598-019-53946-0

https://doi.org/10.1038/s41598-019-53946-0