Mutante mit Zahlenschwäche

Die fleischfressende Venusfliegenfalle (Dionaea muscipula) kann bis fünf zählen: Diese Entdeckung des Würzburger Biophysikers Professor Rainer Hedrich sorgte 2016 weltweit für Aufsehen. Wie macht die Pflanze das? Hedrichs Team von der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) beschreibt die Schlüsselkomponente im Fachjournal Current Biology. Fündig wurden die Forscherinnen und Forscher bei einer Mutante der Venusfliegenfalle, die das Zählen verlernt hat.

Die Venusfliegenfalle zählt ihre Beute aus

Die Venusfliegenfalle kann in ihrer sehr nährstoffarmen Heimat in den Sümpfen von Nord- und Süd-Carolina überleben, weil kleine Tiere zu ihrem Beutespektrum gehören. Dafür hat die fleischfressende Pflanze Blätter zu Klappfallen umgestaltet.

Beide Fallenhälften tragen je drei bis vier Sinneshaare, die Berührungen selbst durch sehr kleine Fliegen wie Moskitos wahrnehmen können. Die Falle löst aber nicht schon bei der ersten Berührung aus, sondern erst bei der zweiten. Sie muss sich also die Berührung Nummer eins merken und bei „zwei“ blitzschnell zuklappen.

Pflanze misst und verrechnet Kalziumspitzen

Doch damit nicht genug: Berührt das gefangene Beutetier die Sinneshaare weiter, wird bei der dritten, vierten und fünften Berührung stufenweise ein genetisch kodiertes Programm abgerufen.

In diesem Prozess werden das Berührungshormon Jasmonsäure synthetisiert, die Falle hermetisch und wasserdicht verschlossen und Verdauungssekret gebildet, um die tierische Mahlzeit zu erschließen, und außerdem noch Transportproteine in Stellung gebracht. Sie nehmen später die aus der Beute freigesetzten Nährstoffe in den Körper der Venusfliegenfalle auf.

Bei jeder Berührung der Sinneshaare feuert die Venusfliegenfalle einen elektrischen Impuls, der als Aktionspotential bezeichnet wird und sich über die gesamte Falle ausbreitet. Das Aktionspotential wird durch ein Kalziumsignal ausgelöst und von einer Kalziumwelle getragen. „Beim Zählen geht es darum, die einzelnen Kalziumspitzen zu messen und sie für den Fallenschluss und die Beuteverwertung zu verrechnen“, erklärt Rainer Hedrich.

Die Dyscalculia Mutante zählt nicht

Auf einer Pflanzenbörse hat Dr. Sönke Scherzer, Koautor der Publikation in Current Biology, eine Venusfliegenfalle entdeckt, die auf „zwei“ nicht mehr schließt und auch bei weiteren Berührungen ihre Beute nicht verarbeitet. „Diese Mutante hat offensichtlich das Zählen verlernt, weshalb ich sie Dyscalculia (DYSC) getauft habe“, sagt Hedrich.

Um die Ursache für die Zahlenschwäche zu ergründen, hat Hedrichs Team das berührungsvermittelte Aktionspotential der Mutante untersucht. Es zeigte sich: Die Berührungswahrnehmung und das damit verbundene Aktionspotential sind unverändert. Folglich konnte auch das dem Aktionspotential zugrundeliegende Kalziumsignal nicht von der Mutation betroffen sein.

So fiel der Verdacht auf einen Fehler in den nachfolgenden Prozessen. Mit dieser Vermutung lagen die Würzburger richtig: Nach einer Gabe des Berührungshormons Jasmonsäure wird zwar nicht der Defekt beim schnellen Fallenschluss behoben, aber die von Jasmonsäure abhängige Verarbeitung der Beute wiederhergestellt. Der DYSC-Defekt war somit bei der Entschlüsselung des Kalziumsignals zu suchen.

Muster der Genexpression analysiert

Dafür kam nun Dr. Ines Kreuzer ins Spiel. Die Molekularbiologin und DYSC-Projektverantwortliche suchte in der Mutante nach Veränderungen in den Genexpressionsmustern nach Berührungsreizung.

„Dabei konzentrierten wir uns auf die Gene, die in der Mutante durch Berührung nicht mehr korrekt adressiert werden“, sagt die JMU-Wissenschaftlerin. Auf diese Weise konnte der Kreis auf wenige Komponenten des Kalziumsignalwesens eingegrenzt werden.

Diese potenziellen Kalziumdecoder weisen kalziumbindende Bereiche auf. Nach der Bindung modifizieren sie Effektorproteine. Dazu zählt auch das für die Jasmonsäure-Biosynthese wichtige Enzym LOX3. Die Schlüsselkomponente des von Jasmonsäure unabhängigen schnellen Fallenschlusses hingegen ist ein von Kalzium aktivierter Anionenkanal.

Wie die Forschung weitergeht

Wie kann man die Kalziumdecoder und deren Effektorproteine identifizieren? „Um das endgültig zu klären, beschreiten wir gegenwärtig zwei Wege“, so Hedrich.

Sein Team habe das Genom der Venusfliegenfalle inzwischen so gut entschlüsselt, dass es direkt nach Genveränderungen suchen kann. Im zweiten Ansatz schaut es auf die Proteine, die auf Berührung hin modifiziert und in ihrer Aktivität verändert werden. „Auf diesem Wege wollen wir den Kreis schließen und herausfinden, was die Pflanze macht, um Zahlen voneinander zu unterscheiden, also wie sie zählt.“

Publikation

DYSCALCULIA, a Venus flytrap mutant without the ability to count action potentials. Ines Kreuzer & colleagues, 23. Januar 2023, DOI: 10.1016/j.cub.2022.12.058

Kontakt

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