Wie wird eine Pflanze giftig und warum? Es mag offensichtlich erscheinen, dass eine Pflanze giftig wird, um sich zu verteidigen, aber die Investition in chemische Verteidigung ist nicht billig. Es wird daher angenommen, dass verschiedene Organe je nach ihrem Wert für die Pflanze und der Wahrscheinlichkeit eines Angriffs unterschiedliche Toxizität aufweisen.

Karen Martinez-Swatson und Kollegen haben nachgeforscht die Verteidigung von Thapsia garganika, die tödliche Karotte. Der gebräuchliche Name mag wie ein Witz klingen, aber die Gifte der Pflanze haben eine ernsthafte Wirkung auf alles, was dumm genug ist, sie zu essen.

„Die Anti-Pflanzenfresser-Verbindungen aus Thapsia garganica werden seit Jahrtausenden verwendet“, sagte Christopher Barnes, Co-Autor der Veröffentlichung. „Es gibt Aufzeichnungen von alten Römern, die die Pflanze für Diäten verwendeten, und mit der Übelkeit und dem Durchfall, die Thapsigargin hervorruft, war es wahrscheinlich ziemlich effektiv (aber definitiv nicht zu empfehlen). In jüngerer Zeit wurde Mipsagargin (ein Prodrug von Thapsigargin) in klinischen Studien zur Behandlung von Hautkrebs eingesetzt. Unter Verwendung von Laborexperimenten gibt es auch Hinweise darauf, dass Thapsigargin auch für viele verschiedene Eukaryoten extrem toxisch ist.“

Das Projekt ist eine Zusammenarbeit zwischen vielen Autoren, die von Martiz-Swatson initiiert wurde, erklärte Barnes. „Das Projekt wurde aus Karen Martinez-Swatsons ERC-finanzierter Doktorarbeit über die gesamte Thapsia-Gattung abgeleitet, da sie alle Thapsiagargins produzieren. Sie interessierte sich für die Variation der Abwehrstoffe zwischen den Arten, fand aber auch große Unterschiede bei den Thapsigargins innerhalb einzelner Arten.“

„Ihre Verwendung sowohl in der Natur als auch in der Gesellschaft hat meine Aufmerksamkeit auf die Pflanze gelenkt“, fügte Barnes hinzu. „Mit meinem Hintergrund in Ökologie interessierte ich mich dafür, warum die gleichen Arten in relativ enger Nachbarschaft so stark in ihren Abwehrstoffen variieren können. Nachdem ich die Literatur zu dieser Variation innerhalb der Art bei der chemischen Abwehr von Pflanzen gelesen hatte, stellte ich fest, dass es separate Modelle für verschiedene Komponenten der Pflanzenvariation gab (z. B. zwischen verschiedenen Gewebetypen und zeitlichen Variationen) und sogar mehrere Modelle, die dasselbe vorhersagten unterschiedliche Prognosen. Nach einiger Verwirrung entschieden wir, dass es sinnvoller wäre, mehrere Modelle gleichzeitig zu testen und zu sehen, welches die besten Ergebnisse liefert.

Der Test kam bei einer Untersuchung tödlicher Karotten auf der Insel Ibiza zustande. Das Team machte sich daran, an sechs Orten Proben von tödlichen Karotten zu nehmen und sie zu testen, um zu sehen, wie sich ihre chemische Nutzlast veränderte. Die Ergebnisse konnten mit den Vorhersagen von Pflanzenabwehrmodellen verglichen werden. Die optimale Verteidigungstheorie (ODT) argumentiert, dass Investitionen in die Verteidigung einen Preis für den Fortpflanzungserfolg haben. Das Modell war besonders interessant, da es Vorhersagen darüber machte, welche Teile der Anlage am besten verteidigt werden würden. Das ODT schlug vor, dass Blumen als Teil des Fortpflanzungssystems im Vergleich zu vegetativen Geweben am meisten verteidigt würden.

Die Wachstumsratenhypothese (GRH) untersucht, wie Pflanzen nach einem Fraßschaden durch Pflanzenfresser nachwachsen. Sind die Ressourcen knapp und das Nachwachsen erschwert, sagt die GRH voraus, dass mehr Ressourcen in die Verteidigung fließen. Demnach sollten Karotten aus den nährstoffärmsten Gebieten der Insel die tödlichsten Eigenschaften aufweisen. Die Wachstumsdifferenzierungs-Balance-Hypothese (GDBH) berücksichtigt ebenfalls die verfügbaren Ressourcen, unterscheidet sich aber in einigen Punkten. In ihrer Arbeit schreiben die Autoren: „Gemäß der GDBH regulieren zwei Prozesse die gesamte Photosyntheseaktivität der Pflanzen. Wachstum bezeichnet jeden Prozess, der eine erhebliche Zellteilung und -streckung erfordert, wie die Bildung von Wurzeln, Stängeln und Blättern, während Differenzierung im Wesentlichen alles andere umfasst, einschließlich der Abwehr von Pflanzenfressern. … Nährstoff- und Wassermangel hemmen das Wachstum vermutlich stärker als die Photosynthese. Daher ist die Fitnessminderung durch Differenzierungsprozesse geringer, wenn sich Kohlenhydrate in der Pflanze anreichern. Wachstum und Differenzierung schließen sich vermutlich gegenseitig aus. Pflanzen investieren daher in ressourcenreichen Umgebungen (hohe Konkurrenz) in wachstumsbasierte Strategien und in ressourcenarmen Umgebungen (geringe Konkurrenz) in differenzierungsbasierte Strategien.“

Die Feldarbeit war auf drei Exkursionen von Mai 2015 bis Ende Juni angelegt. Geplant war, die Karotten in verschiedenen Lebenszyklusstadien zu erfassen, wie in der Studie erwähnt: „Die Probenahme erfolgte etwa vor der Fruchtbildung, wenn die Blätter aktiv sind, aber auch während und nach der Fruchtbildung, wenn die Blätter abgestorben sind.“ Dies erwies sich als nicht ganz einfach.

„Die Feldarbeit auf Ibiza hat natürlich Spaß gemacht“, sagte Barnes, „es ist eine fantastische Insel mit wunderschönen Bergen und einer faszinierenden Flora. Wichtig ist auch, dass die Insel Teil von … ist.“ T. garganicaDas natürliche Verbreitungsgebiet der Pflanze ist unbekannt. Da sich die Kultivierung in Gewächshäusern als äußerst schwierig erwiesen hat, werden auf der Insel Anbauflächen angelegt. Derzeit wird Thapsigargin aus Samen wilder Populationen gewonnen. Dies brachte einige Herausforderungen mit sich, insbesondere stirbt die oberirdische Biomasse im Hochsommer ab, was die Suche nach Karotten für Probenahmen in dieser Zeit extrem erschwert. Zudem wächst die Pflanze oft in kleinen Gruppen und sehr langsam. Unsere Probenahme war destruktiv, weshalb die Auswirkungen auf die lokale Population für uns ethisch nicht vertretbar wären.

Welches Modell erwies sich also als das genaueste? In gewisser Weise war das überraschendste Ergebnis nicht die Antwort selbst, sondern die Notwendigkeit, diese Frage zu stellen, so Barnes. „Eines unserer interessantesten Ergebnisse ergab sich für mich bereits vor Projektbeginn: die Entdeckung, dass die Vorhersage der intraspezifischen Variation chemischer Abwehrmechanismen im Widerspruch zur bisherigen Literatur steht. Ich empfehle Forschern daher dringend, unsere Arbeit weiterzuführen, indem sie ihre Ergebnisse anhand mehrerer Modelle validieren, verfeinern und in ein einziges Modell integrieren. Außerdem fand ich es faszinierend, dass T. garganica die Assoziation mit Pilzen hemmt.“

Pflanzen haben eine komplexe Beziehung zu Pilzen. Viele können pathogen sein, andere hingegen nützlich. Sie unterstützen die Pflanzenabwehr oder bilden Netzwerke jenseits der Wurzeln und suchen nach Nährstoffen. „Ich habe viel Zeit damit verbracht, zu erforschen, warum Pflanzen unterschiedliche Pilzgemeinschaften aufweisen, beispielsweise warum sie Energie für die Erhaltung von Mykorrhiza-Pilzen aufwenden“, sagte Barnes. „Zuerst war ich ziemlich besorgt, dass unsere Metabarcoding-Ergebnisse fehlerhaft sein könnten, bis weitere Tests bestätigten, dass Thapsigargine das Pilzwachstum hemmen. Zukünftig möchte ich genauer untersuchen, warum manche Pflanzen ohne (oder mit nur sehr wenigen) Interaktionen mit Pilzen einfach besser zurechtkommen.“

Die Ergebnisse zeigen, dass es noch kein einheitliches Pflanzenabwehrmodell gibt, das sowohl für Pflanzengewebe als auch für Umwelteinflüsse gilt. Daher lässt sich die „giftigste“ Karotte weiterhin nicht einfach identifizieren. Ungeachtet dessen bleiben die Pflanze selbst und die von ihr produzierten chemischen Substanzen von Interesse. „Ich finde diese Verbindungen sehr interessant, da sie normalerweise biologisch aktiv sind, also mit Organismen interagieren und Auswirkungen auf sie haben. Viele dieser Auswirkungen sind zwar negativ, aber sie stellen auch eine wichtige Quelle für Medikamente dar. Wenn wir verstehen, warum diese Verbindungen produziert werden, können wir unsere Suche nach neuen Medikamenten gezielter gestalten, indem wir beispielsweise Verbindungen untersuchen, die Pflanzen zur Abwehr von Insekten in trockenen Gebieten einsetzen.“