In der Tierwelt sind spitze Stacheln und scharfe Zähne als Verteidigungsmechanismen weit verbreitet. Doch auch Pflanzen wehren sich gegen Fressfeinde mit stacheligen Haaren. Wie Botaniker der Universität Bonn nun herausfanden, lagern wesentlich mehr Pflanzen das besonders harte und stabile Calciumphosphat zur Abwehr in ihre Haare ein, als zuvor gedacht.

Neue Details einer alten Modellpflanze

Mit elektronenmikroskopischen Aufnahmen konnten die Forscher zeigen, dass die Stacheln der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) beispielsweise Blattläuse abwehren. Ihre Ergebnisse haben sie im Fachjournal „Planta“ veröffentlicht. Die Ackerschmalwand gilt in der Landwirtschaft zwar als Unkraut, ist zugleich aber eine äußerst beliebte Modellpflanze der Pflanzengenetiker. „Sie ist mit Sicherheit die am besten untersuchte Pflanze überhaupt“, sagt Maximilian Weigend vom Nees-Institut für Biodiversität der Pflanzen an der Universität Bonn. „Umso überraschender ist es, dass das Calciumphosphat in den Spitzen der Arabidopsis-Haare erst jetzt entdeckt wurde.“

„Zähne“ bei Pflanzen weiter verbreitet als gedacht

Calciumphosphat ist auch Hauptbestandteil von Zähnen und Knochen und aufgrund seiner Härte, ähnlich wie Silikat, dem weit verbreiteten Kalk hoch überlegen. Weigend und seine Forscherkollegen entdeckten die erstaunliche große Verbreitung der zahnartigen Substanz nun mithilfe der Elektronenmikroskopie und dem Raman-Spektroskop. Bereits zuvor hatten Botaniker um Hans-Jürgen Ensikat solche „Verteidigungszähne“ an Blumennesselgewächsen (Losaceae) bemerkt. Daraufhin weiteten die Wissenschaftler vom Nees-Institut ihre Forschung auf andere Pflanzenordnungen aus und wurden bei mehreren Dutzend Pflanzenarten verschiedenster Verwandtschaftskreise fündig; unter anderem auch bei den Kreuzblütlerartigen (Brassicales), zu denen auch die Ackerschmalwand gehört.

Besonders harte Haarspitzen

„Von vielen Pflanzen war bekannt, dass sie in ihren Haaren glasartiges Silikat oder Kalk zur Versteifung einlagern“, berichtet Weigends Mitarbeiter Adeel Mustafa. „Es war nun sehr überraschend zu sehen, dass auch viele Arten das besonders harte Calciumphosphat nutzen und dass dies bis vor Kurzem übersehen wurde.“ Bei Arabidopsis ist das besonders harte, zahnartige Kalziumphosphat nur in den Spitzen der Härchen eingelagert. „Das Biomineral scheint genau dort abgelagert zu werden, wo es zu einer besonders großen mechanischen Beanspruchung kommt“, erklärt Weigend. So wehrt sich die Ackerschmalwand mit ihren harten Haarspitzen vor allem gegen Kleinstinsekten, wie Blattläuse.

Elektronenmikroskopische Aufnahmen der Wissenschaftler zeigen, dass der Parcour aus gehärteten Haaren und Dornen in der Tat ein unüberwindliches Hindernis für die Schädlinge darstellt. „Es handelt sich also um kleinskalierte Abwehrwaffen, die zahlreiche Insekten von einer Schädigung der Pflanze abhalten“, sagt Weigend.

Genetische Grundlage der Abwehrzähne

Laut Mustafa sei es demnach eigentlich erstaunlich, dass nicht noch mehr Gewächse das Biomineral Calciumphosphat nutzen. Denn die Fähigkeit, die Härchen mit Calciumphosphat zu verstärken, scheint im genetischen Bauplan festgelegt. „Die Entschlüsselung der genetischen Basis der Ausbildung dieser Waffen wäre der notwendige nächste Schritt – dann könnte man solche sich selbst verteidigenden Pflanzen auch als Vorbilder für die Zucht insektenresistenterer Kulturarten nutzen“, so Weigend.

jmr