Kiel Life Science

Der Duft macht’s: Pflanzliche Inzucht mindert Attraktivität für Bestäuber

24.06.2021

CAU-Forschungsteam zeigt am Beispiel der Weißen Lichtnelke, welche Effekte der Lebensraumzerstörung den Fortbestand von Pflanzenpopulationen bedrohen

Die Vielfalt aller Tier- und Pflanzenarten, auch als Biodiversität bezeichnet, ist ein wichtiger Gradmesser gesunder Ökosysteme, stellt dem Menschen auf vielfältige Weise eine Lebensgrundlage bereit und ist damit für unser Überleben essenziell. Die Biodiversität ist jedoch auf globaler wie lokaler Ebene durch die Zerstörung von Lebensräumen bedroht. Betrachtet man zum Beispiel die Pflanzenwelt, wirkt sich die Zerstörung aber auch die Zerteilung von Lebensräumen oft negativ auf die Größe des lokalen Pflanzenvorkommens aus. In kleineren Pflanzenpopulationen wächst ab einer bestimmten Grenze die Gefahr von Inzucht: Stehen zu wenige Pflanzen, die zudem eng miteinander verwandt sind, zur Verfügung, entstehen oft Nachkommen, die unter sogenannten Fitnessnachteilen leiden. Ihre geringe Widerstandskraft und ihr niedriger Fortpflanzungserfolg verringern dann die Überlebenschancen der Pflanzenpopulation insgesamt. Ein Forschungsteam aus der Abteilung Geobotanik am Institut für Ökosystemforschung der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat am Beispiel der Weißen Lichtnelke (Silene latifolia) und ihrem Bestäubungsinsekt, der Lichtnelkeneule (Hadena bicruris), den Effekt von Inzucht in Pflanzenpopulationen auf die Kommunikation mit ihren Bestäubern und damit das Überleben der Pflanzen untersucht. Die Forschenden im Projekt unter Leitung von Dr. Karin Schrieber, Wissenschaftlerin in der Kieler Geobotanik und Mitglied im Kiel Plant Center (KPC), fanden heraus, dass besonders die Duftsignale der Pflanzen durch die Inzucht gestört werden und sich so die Wahrscheinlichkeit der Bestäubung durch die Insekten signifikant reduziert. Ihre neuen Forschungsergebnisse veröffentlichten die Kieler Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Professorin Alexandra Erfmeier gemeinsam mit Forschenden der Universität Bielefeld kürzlich im Fachmagazin eLife.
 
Komplexe Signale steuern die Insektenbestäubung

Die Weiße Lichtnelke zählt zu den insgesamt selteneren getrenntgeschlechtlichen Pflanzen. Um sich fortpflanzen zu können, sind sie unter anderem auf die Hilfe von Insekten angewiesen, die den Pollen von den männlichen zu den weiblichen Exemplaren transportieren. Bei der Lichtnelke kommt hinzu, dass sie sich stark auf ein bestimmtes Bestäubungsinsekt spezialisiert hat, weshalb diese Mottenart den Namen Lichtnelkeneule trägt. Ihre spezifische Beziehung hat sich im Laufe der sogenannten Koevolution ergeben, in der sich Pflanze und Insekt über lange Zeiträume stark aneinander angepasst haben. In der Folge hat sich eine komplexe Kommunikation zwischen Pflanze und Insekt entwickelt, die aus verschiedenen optischen, chemischen und räumlichen Signalen besteht. Die Lichtnelke öffnet beispielsweise nur in der Dämmerung oder Dunkelheit ihre dann gut sichtbaren weißen Blüten und verströmt dabei einen aus rund 70 chemischen Verbindungen bestehenden Duft. In dieser Zeit liegt entsprechend auch das Aktivitätsspektrum der Motte, deren Bestäubungsverhalten vom Anflug bis hin zum Ausfahren ihres Rüssels durch die Signalkomplexe der Pflanze ausgelöst wird.

„Wir wollten also herausfinden, ob und wie stark Inzucht diese Signale der Pflanze verändert und wie sich dies wiederum auf das Verhalten der Insekten und ihren Bestäubungsdienst auswirkt“, erklärt die Ökologin Schrieber, Erstautorin der neuen Studie.
 
Inzuchteffekte auf das Bestäubungsverhalten experimentell entschlüsselt

Um diese Hypothese zu testen, züchtete das Kieler Forschungsteam zunächst Lichtnelken unter Inzuchtbedingungen. Pflanzliche Signale wie Blütenform und -anordnung, Duftstoffemission, Blütenfarbe und Nektarproduktion wurden unter kontrollierten Bedingungen in Kooperation mit der Universität Bielefeld analysiert. Die Inzuchtpflanzen hatten kleinere und weniger Blüten und rochen anders als Pflanzen, die von nicht verwandten Eltern stammten. Insbesondere produzierten sie weniger Flieder-Aldehyde, flüchtige Duftstoffe, die das Bestäubungsverhalten der Motten steuern. Um den Unterschied zwischen Kontrollfpflanzen und Inzuchtpflanzen in der Bestäubung bestimmten zu können, führten die Forschenden sogenannte „Common Garden“-Experimente (Deutsch: „Gemeinsamer Garten“) durch, bei denen die Pflanzen in einen möglichst natürlichen aber gleichzeitig kontrollierten Lebensraum gebracht werden. „Wir haben die Lichtnelken auf eine Freilandfläche verbracht auf der natürlicherweise Lichtnelkeneulen vorkommen. Hier wurden sie in Töpfen mit standardisierter Erde in gleichmäßigen Abständen, Himmelsausrichtungen und Umgebungsvegetationen positioniert. Die Motten konnten sich dann entscheiden, entweder Populationen aus Inzucht- oder Kontrollpflanzen zu besuchen. So fanden wir heraus, dass die Inzuchtblüten teilweise deutlich weniger von Motten besucht wurden“, so Schrieber weiter, die von der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der CAU finanziell unterstützt wurde. Diesen Effekt konnten die Forschenden vor allem bei weiblichen Pflanzen mit einer bestimmten geografischen Herkunft nachweisen. So konnten sie experimentell belegen, dass Inzucht die Pflanzen für ihre Bestäubungsinsekten weniger attraktiv macht.
 
Auswirkungen der Lebensraumzerstörung

Die neue Forschungsarbeit, an der auch mehrere Studierende der CAU in Abschlusssemestern beteiligt waren, unterstreicht die Auswirkungen der Lebensraumzerstörung auf Pflanzen. „Das Beispiel der Weißen Lichtnelke und ihres spezialisierten Bestäubungsinsekts zeigt, wie empfindlich die fein abgestimmte Kommunikation zwischen Pflanze und Insekt auf äußere Störungen reagieren kann, fasst Schrieber zusammen. Inzuchteffekte bilden dabei nur einen einzelnen Faktor im Zusammenspiel zahlreicher Einflüsse, die sich im Falle des Lebensraumverlustes negativ auf die Biodiversität auswirken. „Betrachtet man diese Einflussgrößen insgesamt, helfen uns Forschungsarbeiten wie diese dabei, auf ökologischen Modellen basierende Maßnahmen gegen den Verlust an Artenvielfalt zu entwickeln“, betont Erfmeier. Die aktuelle Publikation trägt damit einen weiteren Baustein zum Bemühen der Abteilung Geobotanik und der Forschenden im Kiel Plant Center bei, die Beziehungen von Umwelt und Pflanzenwelt vor dem Hintergrund globaler Veränderungen zu untersuchen.

Originalarbeit:
Karin Schrieber, Sarah Catherine Paul, Levke Valena Höche, Andrea Cecilia Salas, Rabi Didszun, Jakob Mößnang, Caroline Müller, Alexandra Erfmeier, Elisabeth Johanna Eilers (2021): Inbreeding in a dioecious plant has sex- and population origin-specific effects on its interactions with pollinators. eLife First published May 14, 2021   
DOI: 10.7554/eLife.65610.sa2

Über Kiel Life Science (KLS):
Das interdisziplinäre Zentrum für angewandte Lebenswissenschaften – Kiel Life Science“(KLS) – vernetzt an der CAU Forschungen aus den Agrar- und Ernährungswissenschaften, den Naturwissenschaften und der Medizin. Es bildet einen von vier Forschungsschwerpunkten an der Universität Kiel und will die zellulären und molekularen Prozesse besser verstehen, mit denen Lebewesen auf Umwelteinflüsse reagieren. Im Mittelpunkt der Forschung stehen Fragen, wie sich landwirtschaftliche Nutzpflanzen an spezielle Wachstumsbedingungen anpassen oder wie im Zusammenspiel von Genen, dem individuellen Lebensstil und Umweltfaktoren Krankheiten entstehen können. Gesundheit wird dabei immer ganzheitlich im Kontext der Evolution betrachtet. Unter dem Dach des Forschungsschwerpunkts sind derzeit rund 80 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus 40 Instituten und sechs Fakultäten der CAU als Vollmitglieder versammelt.

Weitere Informationen:


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Eine weiße Blüte
https://www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2021/138-schrieber-elife-flower.jpg
Abgebildet ist das Studienobjekt: die Blüte einer weiblichen Weißen Lichtnelke.
© Roman Adler

Helle Blüten in der Dämmerung
https://www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2021/138-schrieber-elife-dusk.jpg
Ein Mitglied des Forschungsteams aus der Kieler Geobotanik bei der Beobachtung von Bestäubern an der Weißen Lichtnelke in der Abenddämmerung.
© Roman Adler

Eine Wissenschaftlerin zwischen Blüten im Gewächshaus
https://www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2021/138-schrieber-elife-greenhouse.jpg
Eine der beteiligten Studentinnen bei der Aufnahme von Daten zu den räumlichen Blütensignalen im Gewächshaus.
© Roman Adler

Eine Motte auf einer Blüte
https://www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2021/138-schrieber-elife-owl.jpg
Die Lichtnelkeneule an der Blüte einer männlichen Weißen Lichtnelke.
© Zoran Bozovic, Saxifraga Foundation, Lizenz: CC BY-NC-SA

Wissenschaftlicher Kontakt:
Dr. Karin Schrieber
Abteilung Geobotanik
Institut für Ökosystemforschung, CAU
Telefon: 0431-880-4082
E-Mail: kschrieber@ecology.uni-kiel.de

Pressekontakt:
Christian Urban
Wissenschaftskommunikation
„Kiel Life Science", CAU
Telefon: 0431-880-1974
E-Mail: curban@uv.uni-kiel.de

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