image: Dodder Cuscuta australis on a soybean host plant: The parasite is flowering and has already produced seed capsules. It uses its host's flowering signal for flower formation. view more
Credit: Jingxiong Zhang, Kunming Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, China
Pflanzen der Gattung Cuscuta sind mit mehr als 200 Arten fast auf der ganzen Welt anzutreffen. Die als Teufelszwirn, Jungfernhaar, Schmarotzer- oder und Hexenseide bezeichneten Parasiten ernähren sich von anderen Pflanzen, indem sie über spezielle Saugorgane, die Haustorien, an ihrem Wirt andocken und ihm Nährstoffe entziehen. Als Vollschmarotzer besitzen sie weder Wurzeln noch Blätter. Ohne Blätter können sie kaum Fotosynthese betreiben. Ohne Wurzeln sind sie nicht in der Lage, Nährstoffe und Wasser aus dem Boden aufzunehmen. Dafür sind sie in das interne Kommunikationsnetz ihrer Wirtspflanzen eingebunden und können sogar Warnsignale von Pflanze zu Pflanze weiterleiten (siehe Pressemeldung Teufelszwirn: Schmarotzer und dennoch Alarmüberträger bei Insektenbefall vom 24. Juli 2017).
Ein Team von Wissenschaftlern um Jianqiang Wu, der am Kunming-Institut für Botanik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften eine Max-Planck-Partnergruppe leitete, hat sich nun die Frage gestellt, wie es der Parasit schafft, die Blütenbildung mit der seiner Wirtspflanzen zu synchronisieren. Sie beobachteten, dass Pflanzen der südlichen Seide (Cuscuta australis) den Zeitpunkt ihrer Blüte nach der jeweiligen Wirtspflanzenart ausrichteten.
Blühinduktionsfaktor FT aus dem Wirt bestimmt auch den Blühzeitpunkt des Parasiten
Der Blütenzeitpunkt wird von den Blättern kontrolliert, denn Blätter empfangen die für das Blühen entscheidenden Signals aus ihrer Umgebung und produzieren das Blühsignal, ein Protein namens FLOWERING LOCUS T (FT), das dann innerhalb der Pflanze weitertransportiert wird. Wir fragten uns daher, wie ein blattloser Parasit wie Cuscuta australis den Zeitpunkt seiner Blüte steuert, sagt Studienleiter Jianqiang Wu.
Sein Team hatte 2018 da Genom von C. australis sequenziert und herausgefunden, dass viele Gene, die für die Steuerung des Blühzeitpunkts wichtig sind, im Genom von C. australis verloren gegangen waren. Die Pflanze scheint daher unfähig zu sein, ihren Blühmechanismus eigenständig zu aktivieren.
Aufgrund der Tatsache, dass FT-Proteine mobile Signale sind, stellten die Forscher die Hypothese auf, dass der Teufelszwirn die von den Blättern seiner Wirtspflanze gebildeten Blühsignale kapert und für die eigene Blüte nutzt. Um diesen Lauschangriff nachzuweisen, nutzten sie genetisch veränderte Wirtspflanzen, in denen die das Blühsignal steuernde Gen verändert worden war. Dies wirkte sich tatsächlich auf den Blütenzeitpunkt des Teufelszwirns aus. Außerdem koppelten sie ein grün fluoreszierendes Protein (GFP) an das FT-Protein und konnten so den Blühinduktionsfaktor der Wirtspflanze auch in dem Parasiten nachweisen: Das grün leuchtende Protein war vom Wirt in den Parasiten übergegangen.
Für den Teufelszwirn ist es optimal, seine Blüte mit der seines Wirts zu synchronisieren: Blüht er nämlich viel später als die Wirtspflanze, reichen gegebenenfalls die nach der Blüte des Wirts deutlich reduzierten Nährstoffe in den Blättern nicht mehr lange genug aus, damit auch der Parasit Samen ausbilden kann. Womöglich stirbt der Wirt und mit ihm auch der Parasit, noch bevor dieser Samen ausbilden konnte. Blüht der Teufelszwirn zu früh, hätte dies ebenfalls Nachteile, denn er wäre nicht lange genug gewachsen und würde auch weniger Samen bilden als Artgenossen, die ausreichend lange von ihrem Wirt leben konnten. Das richtige Timing ist also entscheidend.
Regressive Evolution: Genverlust als Vorteil
Pflanzliche Parasiten haben im Laufe der Evolution bestimmte Merkmale verloren und physiologische Prozesse outgesourct. Infolgedessen sind auch zahlreiche Gene verloren gegangen. Unsere Studie zeigt, dass es für einen Pflanzenparasiten von Vorteil sein kann, die Kontrolle über die Blühprozesse zu verlieren, da es dem Parasiten ermöglicht, die mobilen Blühsignale seines Wirts für seinen eigenen Nutzen zu kapern und dadurch seine Physiologie leicht mit der seines Wirts zu synchronisieren, meint Ko-Autor Ian Baldwin, Direktor der Abteilung Molekulare Ökologie am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena. Durch den Genverlust konnte sich der Teufelszwirn möglicherweise besser an die parasitäre Lebensweise anpassen und letztendlich seine Fitness steigern.
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Originalveröffentlichung:
Shen, G., Liu, N., Zhang, J., Xu, Y., Baldwin, I. T., Wu, J. (2020). Cuscuta australis (dodder) parasite eavesdrops on the host plants FT signals to flower. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, DOI: 10.1073/pnas.2009445117
https://doi.org/10.1073/pnas.2009445117
Weitere Informationen:
Dr. Jianqiang Wu, Kunming Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, 132# Lanhei Road, Heilongtan, Kunming,Yunnan Province, China 650201, e-mail wujianqiang@mail.kib.ac.cn
Prof. Dr. Ian Baldwin, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Straße 8, 07745 Jena, Tel. +49 3641 57-1101, E-Mail baldwin@ice.mpg.de
Kontakt und Medienanfragen:
Angela Overmeyer M.A., Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Str. 8, 07745 Jena, +49 3641 57-2110, E-Mail overmeyer@ice.mpg.de
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Journal
Proceedings of the National Academy of Sciences