(09.06.2021) BIELEFELD: Um mit den Besuchern ihrer Blüten zu kommunizieren, nutzen Pflanzen eine Vielzahl an Duftstoffen. Warum dabei selbst innerhalb derselben Art eine so große Diversität vorliegt, beginnen Pflanzenforscher gerade erst zu verstehen.
Jedes Kind kennt die Geschichte von den Blümlein und den Bienlein. Tatsächlich ist die Bestäuberleistung, die vor allem Insekten erbringen, eine wesentliche Grundlage für unser aller Überleben. Pflanzen, die auf tierische Bestäuber angewiesen sind, produzieren Duftstoffe, um diese anzulocken. Allerdings ist die Situation wesentlich komplexer. Denn Nektar und nahrhafter Pollen ziehen auch Blütenbesucher an, die sich davon ernähren, ohne dafür eine Gegenleistung zu erbringen. Die Pflanze steht also vor einem Zielkonflikt: Sie möchte mit dem Duftbouquet ihrer Blüten gleichzeitig Bestäuber anlocken und Pollenräuber abschrecken.
Es ist dieses komplexe Zusammenspiel zwischen Blüte und Bestäuber, das Elisabeth Eilers und ihr Team vom Lehrstuhl für Chemische Ökologie unter der Leitung von Caroline Müller besonders fasziniert. Die Biologin, die ursprünglich in Bielefeld Umweltwissenschaften studiert und anschließend an verschiedenen Forschungsinstituten vor allem angewandte Aspekte der Bestäuberbiologie – abwechselnd aus Sicht der Pflanzen und der Insekten – untersucht hat, baut nun zurück an der Heimatuni ihre eigene Arbeitsgruppe auf. „Ich habe mich schon immer für Bienen, ihre Bedeutung für wirtschaftlich und ökologisch relevante Pflanzen und natürlich auch für die Gründe des Bienensterbens interessiert“, so Eilers. „Für die Interaktion zwischen Biene und Blüte ist die chemische Diversität der Pflanzen von großer Bedeutung. Wir fragen uns, warum es diese große Diversität gibt und wie sie sich auf die Bestäuber auswirkt.“ In ihrer aktuellen Studie konnten Eilers und andere Mitglieder des Teams Chemische Ökologie jetzt zeigen, dass Blüten verschiedener Individuen derselben Art sehr unterschiedlich auf Insekten wirken (Front. Plant Sci. 11: 611877).
Käfer haben den Rainfarn-Pollen zum Fressen gern. Fotos (2): AG Müller
Pflanzen produzieren in ihren Blüten viele verschiedene, meist flüchtige Verbindungen, die den typischen Blütenduft ausmachen. Dass sich das Duftbouquet verschiedener Arten oft sehr deutlich voneinander unterscheidet, ist kein Geheimnis. Viel weniger weiß man über die Unterschiede innerhalb derselben Art, obwohl diese sogar für die angewandte Forschung relevant sein können. „Aus landwirtschaftlicher Sicht ist die Frage nach der innerartlichen Diversität interessant, weil sie bei vielen Nutzpflanzen erwünschte oder unerwünschte Inhaltsstoffe betrifft“, weiß die Pflanzenforscherin. „Gezielte Züchtungen setzen also voraus, dass man die Diversität versteht.“
In einer von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Forschungsgruppe, zu der auch Eilers gehört und die Caroline Müller leitet, haben sich zehn Arbeitsgruppen von sieben deutschen Forschungseinrichtungen zusammengeschlossen, um der innerartlichen Chemodiversität der Pflanzen auf die Spur zu kommen. Dafür konzentrieren sich die Beteiligten auf drei Arten: die Schwarzpappel, den Bittersüßen Nachtschatten und den Rainfarn. Während die Pappel ein windbestäubter Baum ist, sind die beiden Stauden von tierischen Helfern abhängig. „Bei allen drei Arten gibt es sogenannte Chemotypen, die sich in ihrer chemischen Zusammensetzung unterscheiden“, so Eilers. In der Regel beziehen sich die Chemotypen auf eine bestimmte Stoffklasse; bei der Schwarzpappel beispielsweise auf die phenolischen Gerbstoffe, beim Nachtschatten auf Glykoalkaloide und beim Rainfarn auf Terpenoide, die wir auch als ätherische Öle bezeichnen. „Es gibt Chemotypen, bei denen eine einzige Verbindung dominiert oder solche, bei denen ein Gemisch aus verschiedenen Verbindungen vorliegt“, erklärt Eilers und fährt fort: „Beim Rainfarn, auf den sich unsere Studie konzentriert, finden sich unterschiedliche Chemotypen oft auf kleinstem Raum und riechen auch sehr unterschiedlich, zum Beispiel nach Kampher, Eukalyptus oder nach Kamille.“
Der Rainfarn (Tanacetum vulgare) gehört zu den Korbblütlern (Asteraceae) und wird hauptsächlich von Bienen bestäubt. Dabei kommen sowohl Generalisten wie Honigbienen und Hummeln als auch Spezialisten wie die Rainfarn-Maskenbiene und die Rainfarn-Seidenbiene zum Einsatz. Als Belohnung erhalten die Bestäuber Pollen, der in großer Menge gebildet wird. Nektar produziert der Rainfarn dagegen nur wenig, und dieser ist außerdem etwas schwerer zugänglich wie die Forscherin bedauert: „Wir wissen, dass der Rainfarn Nektar produziert, weil an seinen Blüten Schmetterlinge saugen, die sich ausschließlich von Nektar ernähren wie etwa Bläulinge. Bei Korbblütlern lässt sich Nektar leider generell schlecht gewinnen, aber wir arbeiten an neuen Methoden zur Nektarernte, um endlich etwas über dessen Zusammensetzung und Rolle bei der Bestäubung zu erfahren.“
Warum der Rainfarn trotz der geringen Nektarproduktion bei Blütenbesuchern so beliebt ist, stellt das Pflanzenforschungsteam noch vor ein Rätsel, denn der Pollen ist gerade für Bienen nicht besonders gesund. Eilers bringt es auf den Punkt: „Für Bienen ist der Proteingehalt eigentlich zu niedrig, und auch das Verhältnis von Protein zu Kohlenhydraten ist ungünstig.“ Dafür könnte die große Menge an Pollen den niedrigen Nährstoffgehalt wettmachen. Außerdem wird vermutet, dass der Rainfarn-Pollen die Bienen durch bestimmte Inhaltsstoffe gegen Brutparasiten schützen könnte.
Für ihre Studien haben die Bielefelder zunächst im Freiland Pflanzensamen gesucht, diese im Gewächshaus auskeimen lassen und dann bestimmt, zu welchen Chemotypen sie gehören. Die fünf häufigsten Chemotypen wurden ausgewählt und auf die Menge an Blüten, die Blütengröße, die Blühzeit und die Menge an gebildetem Pollen untersucht.
Außerdem bestimmte die Gruppe die Zusammensetzung der Pollen sowie die von ihnen gebildeten flüchtigen Verbindungen, die den sogenannten Duftraum der Blüte ausmachen. Tatsächlich unterschieden sich die fünf ausgewählten Chemotypen in allen untersuchten Parametern bis auf die Menge der Pollen. Je nach Chemotyp wies der Pollen aber einen sehr unterschiedlichen Gehalt an Makronährstoffen – also Proteinen, Kohlenhydraten und Fetten – sowie ein unterschiedliches Verhältnis von Protein zu Kohlenhydraten auf. Insbesondere fand sich bei Pflanzen, die später im Jahr blühten, der nahrhafteste Pollen – möglicherweise weil die Konkurrenz um Bestäuber am Ende der Blühperiode größer wird.
Außerdem zeigte sich, dass sich die Blüten der einzelnen Chemotypen in ihrer chemischen Zusammensetzung wie vermutet unterscheiden. Allerdings waren die Unterschiede kleiner als in den Blättern. „Manche der attraktiven Duftstoffe sind in allen Blüten vorhanden“, erläutert Eilers. „Wir vermuten, dass dadurch gewährleistet wird, dass alle Blüten bestäubt werden.“
Spannend war jetzt die Frage, wie Pollenräuber auf die einzelnen Chemotypen reagieren. Am häufigsten auf dem Rainfarn finden sich Glattkäfer der Gattung Olibrus, die Pollen fressen und außerdem ihre Eier auf den Blüten ablegen. Die Larven leben später als Minierer im Blütenboden und ernähren sich von den unreifen Samen. „Wir haben in Feldstudien untersucht, wie viele Käfer wir auf den verschiedenen Chemotypen finden können. Manche Chemotypen waren attraktiver für die Käfer und gleichzeitig auch stärker von Blüten-Minierern befallen“, so Eilers. Die Käfer bevorzugten außerdem Versuchsfelder, auf denen nur ein einziger Chemotyp wuchs. „Monokulturen könnten für die Insekten interessanter sein, weil einzelne Duftkomponenten deutlicher zu erkennen sind und außerdem alle Blüten gleichzeitig blühen“, spekuliert die Pflanzenforscherin und fügt hinzu, dass allerdings bislang nur eine einzelne Käferart betrachtet werden konnte.
Als Nächstes wurden die Käfer gezielt den flüchtigen Komponenten des Duftraums ausgesetzt. Dabei bevorzugten sie bestimmte Chemotypen und generell den Duft unreifer Blüten. „Das zeigt uns, dass die Insekten sowohl die Chemotypen als auch den Reifegrad der Blüten alleine anhand ihres Duftraums unterscheiden können“, fasst Eilers zusammen. Bereits im Vorfeld der Studie hatten die Wissenschaftler vermutet, dass die Veränderung der chemischen Zusammensetzung im Jahresverlauf eine Möglichkeit für den Rainfarn sein könnte, mit seinem Zielkonflikt umzugehen, denn nur reife Blüten sind auf Bestäuber angewiesen. Wie sich der Käfer in dieser Beziehung im Freiland verhält, muss noch genauer untersucht werden, aber möglicherweise macht er seine Wahl auch davon abhängig, ob er gerade Nahrung oder einen Eiablageplatz sucht.
Fasziniert vom Zusammenspiel zwischen Blüte und Bestäuber: Elisabeth Eilers (li.) und Caroline Müller.
Auf jeden Fall muss die große innerartliche Diversität für den Rainfarn Vorteile haben, sind Eilers und Müller aufgrund ihrer bisherigen Arbeiten überzeugt: „Einzelne Chemotypen dürfen nicht so unterschiedlich erfolgreich sein, wie wir es in den Versuchen mit einem einzigen Pollenräuber gesehen haben, weil sonst die Vielfalt verloren gehen würde. Stattdessen hat wohl jeder Chemotyp andere Vor- oder Nachteile gegenüber verschiedenen Bestäubern oder Pollenräubern.“ Wenn verschiedene Chemotypen auf kleinstem Raum beieinander sind, wie es das Forschungsteam im Feld gesehen hat, vermischt sich der Duftraum der Blüten. Für eine Biene könnte das bedeuten, dass sie auch von Blüten angelockt wird, die vom Duft her weniger attraktiv sind. Wenn sie dann mit den Tarsen an ihren Beinen schmeckt, dass der Pollen minderwertig ist, fliegt sie zwar schneller wieder los. Aber den Pollen trägt sie dann schon an den Beinen und zur nächsten Blüte.
Die Bielefelder freuen sich nun darauf, auf ihrem neuen, größeren Versuchsfeld umfassendere Untersuchungen durchführen zu können. Ab Juli blüht der Rainfarn, und bis Oktober möchten sie vor allem das Verhalten verschiedener Bestäuber und Pollenräuber aber auch von Blattläusen im Freiland beobachten.