Talking plants`? Kommunikation bei Pflanzen

4. Internationale Fachtage Ökologische Pflege
‚Talking plants‘? Kommunikation bei Pflanzen
Pflanzliche Signalstoffe zur Verteidigung, Warnung und zum Belauschen
anderer Pflanzen
Axel Mithöfer
Max-Planck-Institut für Chemische Ökologie
Department Bioorganische Chemie
Langenlois , 19/20 Nov, 2013
‚Talking trees‘
Science 15 July 1983: Vol. 221 no. 4607 pp. 277-279
Rapid Changes in Tree Leaf Chemistry Induced by Damage: Evidence for Communication
Between Plants
IAN T. BALDWIN1, JACK C. SCHULTZ1
Author Affiliations
1Department of Biological Sciences, Dartmouth College, Hanover, New Hampshire 03755
Abstract
Potted poplar ramets showed increased concentrations and rates of synthesis of phenolic compounds within 52
hours of having 7 percent of their leaf area removed by tearing, as did undamaged plants sharing the same
enclosure. Damaged sugar maple seedlings responded in a manner similar to that of the damaged poplars. Nearby
undamaged maples had increased levels of phenolics and hydrolyzable and condensed tannin within 36 hours, but
exhibited no change in rates of synthesis. An airborne cue originating in damaged tissues may stimulate
biochemical changes in neighboring plants that could influence the feeding and growth of phytophagous insects.
‚Talking trees‘
Talking Plants
Plants have more than thorns and thistles to protect
themselves—they can cry for help
By Sharman Apt Russell, Max AguileraHellweg
Monday, April 01, 2002
Live @ AAAS - Ian Baldwin on 'Talking Trees'
(Transcript)
21 February 2011 1:00 pm
Science
10 February 2006:
Vol. 311 no. 5762 pp. 812-815
Volatile Signaling in Plant-Plant Interactions: "Talking Trees" in the Genomics Era
PEOPLE MAGAZINE
When Trees Talk, Dartmouth Researchers Jack Schultz and Ian Baldwin Listen
By GAIL JENNES, STEVEN WILHELM • ORIGINALLY PUBLISHED 07/18/1983 AT 01:00 AM EDT
Sprache
~ 4000 J:
> 4000 J:
Sumerisch (Schrift!!),
Griechisch, Aramäisch, Althebräisch, Chinesisch
> 40000 J:
~ 100000 J:
Khoisan
Entstehung der Sprachen als Kommunikationsmittel
Non-verbale Kommunikation
> 100000 J:
Zeichensprache
Älteste, ursprünglichste und universellste Kommunikation
CHEMIE
von Duftstoffen
Verteidigung, Warnung und das Belauschen anderer Pflanzen
Pflanzen und ihre Interaktionen
Pflanzen und ihre Schädlinge: ein ungleiches Verhältnis
• ca 350000 Pflanzenarten
• Phytopathogene Mikrorganismen
• ca
5500 Säugetierarten
• ca 1000000 Insektenarten
Pflanze-Herbivoren Interaktionen
…die chemische Keule
Nikotin; Tabakpflanzen
Strychnin; Brechnuss
Colchicin; Herbstzeitlose
Protoanemonin; Stinkende Nieswurz
Strophanthidin; Maiglöckchen
(R); (S) Hyoscyamin;
Bilsenkraut, Stechapfel, u.a.
Mezerein; Seidelbast
Ricin; Wunderbaum
Cicutoxin; Wasserschierling
Prinzipien der pflanzlichen Verteidigung
Verteidigung
Konstitutiv
Direkt
Indirekt
Induzierbar
Direkt
Indirekt
Verteidigung mit Duft
O
OH
O
O
O
OH
O
‚Cry for help‘
Tritrophe Interaktion
Induzierter Duft
lockt eine parasitoide
Wespe an
Parasitoide Wespe sucht
eine verletzte Pflanze
Herbivor frisst an einer Pflanze
Eiablage der parasitoiden Wespe
Larven der Wespe entwickeln sich
im Inneren der Larve
Tritrophe Interaktion
Vögel reagieren auf Duft von Insekten-Herbivoren
befallenen Pflanzen
Mäntyla et al., Ecol Lett 2004; Amo et al., Ecol Lett 2013
Der Feind meines Feindes ist mein Freund !!
Tetratrophe Interaktion
Tetratrophisches System auf Brassica oleracea
Pflanzen. Primären Parasitoide Cotesia
glomerata (CG) und C. rubecula (CR)
attackieren Larven von Pieris (PR)
Schmetterlingen und werden ihrerseits von
verschiedenen Hyperparasitoiden attackiert:
Acrolyta nens (1), Lysibia nana (2), Pteromalus
semotus (3), Mesochorus gemellus (4), and
Baryscapus galactopus (5).
Die Hyperparasitoiden des 4 . trophischen
Levels finden ihren Wirt auf dem 3. tL über
Informationen von der Pflanze auf dem 1. tL.
Larven der primären Parasitoiden bedingen
Änderungen in ihrem Wirt was wiederum die
Pflanze realisiert und ihr Duftbouquet
verändert (I). Die veränderte Duftemission
nehmen die Hyperparasitoiden wahr (II).
Poelman et al., PLOS Biology 2012
Die Duftstoffe
Herbivorie-induzierte ‚volatile organic compounds‘
s es q u iterp en o i ds
COOMe
OH
OH
OH
n er o l i d o l
aromatic compounds
mo n o te rp en o id s
(E )-b-fa rn es e n e
methyl salicylate
H
N
(E )-b-o c im en e
lin a lo o l
indole
fatty acid derivatives
D MNT
c a ry o p h y llen e
O
O
COOMe
methyl jasmonate
cis-jasmone
g e rm a c r e n e D
O
OH
(Z)-3-hexenol
H
O
O-AC
(Z)-3-hexenyl-acetae
(E)-2-hexenal H
Biosynthese von Duftstoffen
Methyljasmonat
Baldwin, 2010, Current Biology
Duftstoffe sammeln: das Prinzip
1.
2.
3.
4.
5.
Einlass gereinigter Luft
Passage über die Pflanze
Adsorption an das Polymer
Desorption
GC-MS
Phaseolus lunatus (Limabohne) VOCs
C10H14
DMNT
C10H16O
HO
linalool
caryophyllene
ocimene
TMTT
hexenylacetate
methylsalicylate
Time
Kommunikation….!!
Interne Warnung
Herbivores
OH
O
O
OH
secretion
Lima
Beanof (Phaseolus
lunatus)
emission of
extrafloral
in Mexico
volatiles
nectar
Carnivores
© Dr. Martin Heil
Kommunikation….!!
Verteidigung, Warnung und das Belauschen anderer Pflanzen
Intraspezies Kommunikation
Kontrolle
Alnus glutinosa
200
400
600
Methylsalicylat
OH
C10H14
4,8,12-Trimethyltrideca1,3,7,11-tetraen (TMTT)
COOCH3
Herbivorenfraß
Alnus
glutinosa
Zeit [scans]
800
Farnesen
Agelastica alni
Caryophyllen
C10H16O
4,8-Dimethylnona1,3,7-trien (DMNT)
Linalool
Humulen
ß-Ocimen
Methylanthranilat
Hexenylacetat
Agelastica
alni
200
Indol
400
600
800
Zeit [scans]
Dr. Sybille Unsicker
Intraspezies Kommunikation
Tannine können durch Duft induziert werden !
Container 1
18
t = 72 h
Kontrolle (K)
K-Nachbar (KN)
A. alni (A)
A-Nachbar (AN)
Kontrolle
K-Nachbar
Container 2
flüchtige Signalstoffe
14
t = 48 h
12
t = 24 h
-1
-1
Phenolgehalt DW [mg g ]
16
10
t = 12 h
8
6
t=6h
t=3h
4
2
A. alni
A
AN
K
KN
A
AN
K
KN
A
AN
K
KN
A
AN
K
KN
A
AN
K
KN
A
AN
K
KN
0
A-Nachbar
n.s.
n.s.
n.s.
n.s.
n.s.
***
Dr. Sybille Unsicker
Intraspezies Kommunikation
Wahlversuche mit
Agelastica alni
Duftexponierte Blätter
werden gemieden
festgestecktes
Erlenblattstück
(d= 1cm)
Filterpapier
K
KN
A
5
Gefressene Blattmenge [mg DW]
Petrischale
FN
***
4
3
2
1
0
Kon
***
50
40
30
20
10
0
K
KN
A
AN
(a)
Kontrolle (K)
K-Nachbar (KN)
A. alni (A)
A-Nachbar (AN)
Lipoxygenase
***
10
LOX-Aktivität
[E234 min-1 mg-1 Protein]
60
A. alni A-Nachbar
Peroxidase
POD-Aktivität
[E470 min-1 mg-1 Protein]
PPO-Aktivität
[E490 min-1 mg-1 Protein]
Polyphenoloxidase
K-Nachbar
8
6
4
2
0
K
KN
A
AN
(b)
***
1000
800
600
400
200
0
K
KN
A
AN
(c)
Enzymspiegel nach 48 h Duftexposition
Dr. Sybille Unsicker
Intraspezies Kommunikation
Empfänger
Induzierter Duft führt
zur Genexpression in
Nachbarpflanzen !
Sender
Spinnmillbe
Aussendende Blät t er
Kon t r olle
SM
W
1
3
1
3
1
Empfängerblätter
Kon t r olle
SM
3
1
3
1
3
W
1
3
( Tage)
PR-2
PR-3
PR-4
LOX
TPS
Arimura et al., 2000 Nature
Kommunikation….!!
Verteidigung, Warnung und das Belauschen anderer Pflanzen
Interspezies Kommunikation
Artemisia tridentata (Wüstenbeifuß) verwundet:
Karban et al., 2004, Ecology
Interspezies Kommunikation
Sender: Artemisia tridentata (Wüstenbeifuß), verwundet
Empfänger: Nicotiana attenuata (wilder Tabak)
Karban et al., 2003, Oikos
Pflanze-Herbivoren Interaktionen
Direkte Verteidigung
Signalerkennung
& -transduktion (Jasmonsäure)
Synthese von Proteinase Inhibitoren, PR-Proteinen
Generation von ROS
Aktivierung des Sekundärmetabolismus
Pflanze-Herbivoren Interaktionen
Direkte Verteidigung
Signalerkennung
& -transduktion
Synthese von Proteinase Inhibitoren, PR-Proteinen
Generation von ROS
Aktivierung des Sekundärmetabolismus
Indirekte Verteidigung
Duftemission
OH
N
H
Attraktion von Räubern / Parasitoiden
Extrafloraler Nektar
Molekulare Analyse von Pflanze-Herbivoren Interaktionen
Ca2+ channel
HAMPs / DAMPs
2
1
Membrane
depolarization
Receptor
[Ca2+]
3
??
?
α- Linolenic acid
LOX
?
5
Defence gene
expression
AOS
AOC
OPDA
Nucleus
Chloroplast
4
MYC
JAR1
COI1-JAZ-IP5
(co-receptor
complex)
Defence reaction
JA-Ile
OPR3
T
Inhibitor
JA
Peroxisome
Anwendung ???
Schmeckt – schmeckt nicht
‚Priming‘
…hier durch Behandlung mit Jasmonsäure
Medicago truncatula
kauend
saugend
Spodoptera littoralis
Tetranychus urticae
Relative Intensity
Induzierte Duftstoffe
Spodoptera
littoralis
Tetranychus
urticae
Control
Retentiontime
Nichts Neues….
Einsetzen von natürlichen ‚push/pull‘ Systemen zum Pflanzenschutz
Mashua (Tropaeolum tuberosum) & Kartoffenanbau
"Sprich, wie werd' ich die Sperlinge los?",
so sagte der Gärtner, "Und die Raupen dazu,
ferner das Käfergeschlecht, Maulwurf,
Erdfloh, Wespe, die Würmer, das
Teufelsgezüchte?" “Lass sie nur alle,
so frisst einer den anderen auf."
J.W. von Goethe, Weissagungen des Bakis
Danke an.....
Ilham Ayufu
Andrea Lehr
Margit Leitner
Heiko Maischak
Yoko Nakamura
Sandra Scholz
Jyothilashmi Vadassery
Agnes Walter
Wilhelm Boland