Zurich, Switzerland
January 28, 2011
Ökologen und Pflanzenbiologen der Universität Zürich weisen zusammen mit amerikanischen Forschern nach, dass schnelles Pflanzenwachstum zu Lasten der natürlichen Verteidigungsmechanismen geht. Die neuen Erkenntnisse sind für die auf Massenertrag selektionierten Nutzpflanzen und deren unnatürlich schwachen Schädlingsresistenz von Bedeutung.
Pflanzen stehen auf dem Speiseplan von vielen Insekten und Säugetieren. Als Schutz vor Frassfeinden entwickelten sie im Laufe der Evolution komplexe Verteidigungsmechanismen: Stacheln, Dornen, Blatthaare und eine ganze Reihe giftiger chemischer Substanzen. Seit Jahrzehnten wird kontrovers diskutiert, ob die Ausbildung von Verteidigungsmechanismen mit Kosten für die Pflanzen verbunden ist. Jetzt weisen Ökologen und Pflanzenbiologen der Universität Zürich zusammen mit ihren amerikanischen Kollegen in einem in den Proceedings of the Royal Society erschienenen Artikel diese Kosten mit einer neuen Methode exakt nach.
Für ihre Untersuchungen pflanzten die Forscher verschiedene sogenannte Knockout-Mutanten des gleichen Genotyps der Modellpflanze Arabidopsis thaliana – «Knockout-Mutanten» genannt, weil bei ihnen ein oder mehrere spezifische Gene gezielt ausgeschaltet wurden, was Erkenntnisse über deren Funktion ermöglicht. Die Forscher ernteten dann in regelmässigen Abständen einen Teil der Pflanzen, um das Biomassewachstum über das gesamte Pflanzenleben zu bestimmen. «Mutanten mit unterdrückten Verteidigungsmechanismen zeigten eine erhöhte Wachstumsrate», erläutert Tobias Züst die Resultate seiner Studie. Doch das schnelle Wachstum hat seinen Preis: Blattläuse vermehren sich auf ihnen schneller als auf Pflanzen mit intakten Verteidigungsmechanismen. Dies hängt damit zusammen, dass den Schädlingen bei schnell wachsenden Pflanzen in der gleichen Zeit mehr Ressourcen zur Verfügung stehen als bei langsam wachsenden Pflanzen.
Die Studie zeigt, dass natürliche Schädlingsresistenz oft nicht mit schnellem Wachstum vereinbar ist. Dieser Sachverhalt ist im Hinblick auf landwirtschaftlich genutzte Pflanzen von grosser Bedeutung: Nutzpflanzen sind meist auf Massenertrag hin selektioniert worden, besitzen deshalb kaum noch natürliche Schädlingsresistenzen und erfordern damit den erhöhten Einsatz von Insektiziden.
Literatur:
Tobias Züst, Bindu Joseph, Kentaro K. Shimizu, Daniel J. Kliebenstein and Lindsay A. Turnbull: Using knockout mutants to reveal the growth costs of defensive traits, in: Proceedings of the Royal Society B, 2011, Jan. 26, doi:10.1098/rspb.2010.2475.
Bild: UZH
Fast growth, low defense – plants facing a dilemma
Ecologists and plant biologists of the University of Zürich demonstrate together with American researchers that fast plant growth is achieved at the expense of natural defense mechanisms. The new findings are important for agricultural crops, as such crops usually have been bred for high yield which at the same time reduced their natural resistance to herbivores.
Plants are attacked by a multitude of insects and mammals. As defense against these herbivores they developed complex defense mechanisms over the course of evolution: spines, thorns, leaf hairs and a number of toxic chemical substances. For decades it has been controversially discussed whether the production of defense traits incurs costs to the plants. Now, using a new method the ecologists and plant biologists of the University of Zürich together with their American colleagues demonstrate these costs accurately in a Proceedings of the Royal Society article.
For their study, the researchers planted different «knockout»-mutants of the same genotype of the model plant Arabidopsis thaliana. They then harvested a subset of these plants in evenly distributed intervals to measure the biomass growth over the whole plant life. «Mutants with suppressed defense mechanisms showed an increased growth rate» Tobias Züst explains the result of his study. But the faster growth comes at an added cost: aphids reproduce faster on these plants than on slow growing plants with intact defense mechanisms. This is a result of the fact that fast growing plants provide more resources to the herbivore than slow growing plants in the same amount of time.
The study shows that natural resistance is often not compatible with fast growth. This finding is of great importance for agricultural crops: These crops have been selected for high yield and as a consequence have very low natural resistance to herbivores, consequentially requiring high input of insecticides.
Reference:
Tobias Züst, Bindu Joseph, Kentaro K. Shimizu, Daniel J. Kliebenstein and Lindsay A. Turnbull, Using knockout mutants to reveal the growth costs of defensive traits, in: Proceedings of the Royal Society B, 2011, Jan. 26, doi:10.1098/rspb.2010.2475
Topics
Species
