Wie die Venus-Fliegenfalle zählt

Die fleischfressende Venus-Fliegenfalle (Dionaea muscipula) kann bis fünf zählen: Das hat ein Team um den Biophysiker Rainer Hedrich, Professor an der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg, im Jahr 2016 nachgewiesen. Die Beobachtung erhielt weltweite Aufmerksamkeit in der Wissenschaft und in den Medien.

2019 bekam der JMU-Pflanzenwissenschaftler den mit 1,5 Millionen Euro dotierten Koselleck-Forschungspreis der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) – und damit die Möglichkeit herauszufinden, wie die fleischfressende Pflanze zählt. Auch das ist nun gelungen: Ein japanisches Forschungsteam, geleitet vom Entwicklungsbiologen Professor Mitsuyasu Hasebe von der Universität Okazaki, und Rainer Hedrichs Team stellen die Ergebnisse im Journal Nature Plants vor.

Berührt ein Beutetier eines der Sinneshaare auf der inneren Fallenseite von Dionaea, wird der mechanische Reiz in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses sogenannte Aktionspotential breitet sich über die gesamte Falle aus. Als Reaktion darauf passiert erst einmal nichts. Wenn aber innerhalb von 30 Sekunden ein zweites Aktionspotential die Falle elektrisch erregt, schnappt sie zu. Lässt dagegen der zweite Reiz länger auf sich warten, wird das erste Aktionspotential aus dem Kurzzeitgedächtnis der Venus-Fliegenfalle gelöscht.

Fliegenfalle bekommt Kalziumsensor eingepflanzt

Das molekulare Gedächtnis der Fliegenfalle könnte auf einer zellulären Kalziumuhr beruhen – diese Möglichkeit diskutierten Rainer Hedrich und der Göttinger Nobelpreisträger und Neurobiophysiker Erwin Neher schon 2018 in einem Übersichtsartikel.

Aber wie lässt sich nachweisen, dass das Gedächtnis der Fliegenfalle für elektrische Wellen etwas mit der Erzeugung und Speicherung von Kalzium zu tun hat? „Indem man der Pflanze einen Kalziumsensor einbaut“, sagt Hedrich. Dieses gentechnisch erzeugte Protein leuchtet auf, wenn die zelluläre Kalziumkonzentration einen kritischen Wert überschreitet.

Derartige Kalziumsensoren wurden bei Tieren und Pflanzen bereits erfolgreich eingesetzt, um Kalziumsignale zu erforschen. Das klappte jetzt auch bei Dionaea. Nachdem Hasebe und Hedrich im Juni 2020 das Genom der Venus-Fliegenfalle und zweier naher Verwandter entschlüsselt hatte, gelang es ihnen, den Kalziumsensor GCAMP in das Fallengewebe einzuschleusen. Aus dem Gewebe ließen sich funktionsfähige Venus-Fliegenfallen regenerieren – „das war der entscheidende Schritt hin zur Testung unserer Hypothese der Kalziumuhr“, erklärt Hedrich.

Jedes Aktionspotential wird von einer Kalziumwelle begleitet

Experimente mit den sensorbestückten Pflanzen zeigten: Wird ein Sinneshaar berührt, erhöht sich blitzartig der Kalziumspiegel in den Zellen im Fuß des Sinneshaars und breitet sich als Welle über die gesamte Falle aus. Das passiert auf jeden einzelnen Reiz hin. Wie bei jeder Welle handelt es sich aber um eine zeitlich befristete Erscheinung: Innerhalb weniger Sekunden nach der Berührung erreicht die Kalziumwelle ihren Höhepunkt. Nach einer Minute ist sie weitestgehend abgeebbt.

Was passiert, wenn ein Sinneshaar zweimal hintereinander gereizt wird? Dann werden getrennt voneinander zwei Aktionspotentiale auf die Reise geschickt. Das erste bringt – wie erwartet – eine Erhöhung des zellulären Kalziumspiegels mit sich. Trifft das zweite ein, bevor der Kalziumspiegel auf seinen Ruhewert gefallen ist, überlagern sich die beiden Signale. Dadurch wird eine Schwelle überschritten, was kalziumabhängige Prozesse in Gang setzt, die wiederum die Falle zuklappen lassen, so Hedrich.

„Die elektrische Erregung der Fallenzellen wird also in eine Konzentrationserhöhung von Kalzium übersetzt. Damit wird das vorbeiziehende Aktionspotential quasi in den elektrisch erregten Fallenzellen gespeichert. Kommt ein weiteres Aktionspotential, wird sein Kalziumwert dem ersten Signal hinzugefügt. Über diese Kalziumuhr kann die Venus-Fliegenfalle die Zahl der berührungsreizbedingten Aktionspotentiale zählen“, erklärt der JMU-Professor.

Entscheidend ist das Überschreiten der Kalziumschwelle

Wenn das zweite Aktionspotential allerdings erst eintrifft, nachdem die erste Kalziumwelle abgeebbt ist, geht die Fliegenfalle nicht zu. Ist nun die Zahl der Aktionspotentiale für den Fallenschluss verantwortlich oder das Überschreiten der Kalziumschwelle?

Im Würzburger Labor konnte gezeigt werden, dass nach 30 Sekunden ein zweites Aktionspotential zwar nicht die Falle schließt, aber eine kurz darauffolgende elektrische Erregung. Dieses Vorgehen wurde im Hasebe-Labor genutzt, um das Verhalten des Kalziumspiegels zu untersuchen. Das Ergebnis war eindeutig: Mit dem verspäteten zweiten Reiz erhöhte sich der Kalziumspiegel zwar, blieb aber unterschwellig. Mit dem dritten Reiz wurde die Schwelle für das Auslösen der Falle überschritten.

Wie zählt die Venus-Fliegenfalle weiter?

„Unsere Befunde zeigen, dass das Kurzzeitgedächtnis und die Fähigkeit, bis zwei zu zählen, auf der Kalziumuhr beruhen“, freut sich Hedrich. Die Venus-Fliegenfalle kann aber weiterzählen. Als Reaktion auf nachfolgende Aktionspotentiale kurbelt sie die Biosynthese des Berührungshormons Jasmonat an. Ab der fünften elektrischen Erregung produziert sie Verdauungsenzyme, die die Beute zersetzen sollen, und bringt Transportproteine in Stellung, um sich die nährstoffreiche tierische Mahlzeit einzuverleiben.

In diesem Zusammenhang stellen sich die Forschungsgruppen als nächstes der Frage, ob und wie die Kalziumuhr bis fünf zählt. Dabei ist zu klären, ob die Zellen, die auf die Aktionspotentiale Nummer eins und zwei reagieren, sich von denen unterscheiden, die erst bei Nummer drei, vier oder fünf in Aktion treten.

„Weiterhin wollen wir wissen, wie die unterschiedlichen kalziumabhängigen Prozesse nach dem Überschreiten der jeweiligen Kalziumschwelle angesteuert werden“, so der Würzburger Professor. „Unser vorrangiges Interesse gilt den Kalziumkanälen, die durch das Aktionspotential geöffnet werden, und dem Vorgang, bei dem das Kalziumsignal in das Berührungshormon Jasmonat übersetzt wird.“

Publikation

Calcium dynamics during trap closure visualized in transgenic Venus flytrap, Nature Plants, 5. Oktober 2020, DOI: 10.1038/s41477-020-00773-1

Kontakt

Prof. Dr. Rainer Hedrich, Lehrstuhl für Botanik I (Pflanzenphysiologie und Biophysik), Universität Würzburg, T +49 931 31-86100, hedrich@botanik.uni-wuerzburg.de