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Haftmechanismen bei der Bestäubung

Blumen setzen auf wechselhaften Pollenkleber

| Autor / Redakteur: Julia Siekmann* / Christian Lüttmann

Zur Bestäubung haften Pollen auf der so genannten Narbe in der Blüte der Hypochoeris radicata, wie die kolorierte Aufnahme aus dem Rasterelektronenkryomikroskop zeigt.
Zur Bestäubung haften Pollen auf der so genannten Narbe in der Blüte der Hypochoeris radicata, wie die kolorierte Aufnahme aus dem Rasterelektronenkryomikroskop zeigt. (Bild: Shuto Ito)

Eigentlich ist ihr Ziel gar nicht die Nase von Allergiker, sondern die nächste Blüte: Pollen sind ein wesentlicher Bestandteil der Bestäubung zahlreicher Pflanzenarten. Wie sie aus ihren Ursprungsblüten entlassen und von anderen Blüten wieder aufgenommen werden, haben nun Forscher der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) untersucht. Dabei haben sie erstmals die wirkenden Haftkräfte analysiert.

Kiel – Juckende Nase, gerötete Augen, ständiges Niesen – der Materialwissenschaftler Shuto Ito litt selbst unter einer starken Pollenallergie. Er wollte mehr über den Prozess des Pollenflugs erfahren und verließ seine Heimatstadt in Japan, um gemeinsam mit Professor Stanislav Gorb in Kiel die Hafteigenschaften von Pollen zu erforschen. In seiner Arbeitsgruppe „Funktionelle Morphologie und Biomechanik“ an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) untersucht Gorb die besonderen Fähigkeiten von Pflanzen und Tieren und wie sich diese künstlich nachbilden lassen.

Professor Stanislav Gorb (r.) und Doktorand Shuto Ito haben anhand des Korbblüters Hypochoeris radicata untersucht, wie Pollen auf Blüten haften.
Professor Stanislav Gorb (r.) und Doktorand Shuto Ito haben anhand des Korbblüters Hypochoeris radicata untersucht, wie Pollen auf Blüten haften. (Bild: Julia Siekmann, Uni Kiel)

„Pollen, die von Insekten transportiert werden, bewältigen drei verschiedene Haftuntergründe: Wenn sie sich von ihrer Startblume lösen, auf dem Insekt anhaften und von dort schließlich auf der Zielblume abgesetzt werden. Wir wollen herausfinden, welche Haftmechanismen das ermöglichen“, sagt Gorb.

Pollenkitt ohne Haftung?

Doktorand Ito untersucht diese Mechanismen anhand von Modellpflanzen der Art Hypochaeris radicata. Diese krautartigen Pflanzen aus der Familie der Korbblütler blühen bis in den Spätherbst auf der gesamten Nordhalbkugel. Die Pollen auf ihren gelben Blüten sind wie die vieler anderer Pflanzen mit einer öligen Substanz umgeben, dem so genannten Pollenkitt. „Bislang war die Forschung davon ausgegangen, dass Pollenkitt eine zentrale Funktion für das Anhaften der Pollen hat. Doch wir haben festgestellt, dass er sich unter bestimmten Bedingungen genau gegensätzlich verhält, also nicht haftet“, fasst Ito seine bisherigen Erkenntnisse zusammen. Demnach werde die Haftung von Pollen von einem komplexen Wechselspiel aus dem Alter der Pollen, der Luftfeuchtigkeit und den jeweiligen Haftuntergründen beeinflusst.

Wechselnde Haftwirkung verschiedener Pflanzenteile

In ihrer aktuellen Studie konzentrierten sich die Wissenschaftler auf die Haftmechanismen der beiden Pflanzenteile, die für den Pollentransport am wichtigsten sind: Auf dem Griffel, einem männlichen Teil des Blütenstempels, auch Stylus genannt, haften die Pollen, bevor sie von einem Insekt abgelöst werden. Darüber befindet sich bei den untersuchten Korbblütern die Narbe. Das weibliche Organ, auch als Stigma bezeichnet, nimmt die ankommenden Pollen von anderen Blüten auf.

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Mit einem Rasterkraftmikroskop haben die Wissenschaftler gemessen, wie stark die Pollen auf dem Griffel und der Narbe der Hypochaeris radicata jeweils haften. Sie fanden heraus, dass beide Pflanzenteile sehr unterschiedliche Hafteigenschaften besitzen, die sich im Verlauf des Bestäubungsprozesses ändern. So erhöht sich die Haftwirkung auf der Narbe drastisch um den Faktor 11,9, während sie auf dem Griffel mit dem Faktor 2,7 nahezu unverändert bleibt.

Evolution von Festhalten und Loslassen

Zur Bestäubung tragen Insekten Pollen von Blüte zu Blüte. Was dabei mit den Pollen genau passiert, haben Wissenschaftler der Universität Kiel untersucht.
Zur Bestäubung tragen Insekten Pollen von Blüte zu Blüte. Was dabei mit den Pollen genau passiert, haben Wissenschaftler der Universität Kiel untersucht. (Bild: gemeinfrei, MabelAmber / Pixabay)

„Wir nehmen an, dass die beiden Pflanzenteile im Laufe der Evolution unterschiedliche Funktionen herausgebildet haben, um den Prozess der Bestäubung zu optimieren“, sagt Ito. Die Narbe erhöhe ihre Haftung, um die neuen Pollen aufzunehmen und festzuhalten. Würde sich die Haftung allerdings auch auf dem Griffel als Startpunkt des Pollentransports intensivieren, könnten sich die Pollen dort nicht mehr ablösen. „Mit diesem Haftsystem tragen die Pollen vermutlich entscheidend dazu bei, die Reproduktion von Pflanzen zu sichern“, ergänzt Ito.

Verantwortlich für die verschiedenen Hafteigenschaften der beiden Pflanzenteile, so vermuten die Wissenschaftler, ist ihre unterschiedliche Oberflächenstruktur auf Mikroebene und eine spezielle Flüssigkeit, die von der Narbe abgesondert wird. Hierfür untersuchten sie mit einem Kryorasterelektronenmikroskop schockgefrorene Proben der Pflanzen. In diesem Zustand bleibt ihre ursprüngliche Struktur erhalten und es lassen sich auch flüssige oder ölige Substanzen betrachten.

Bionische Hilfe für Pollenallergiker denkbar

„Wenn wir herausfinden, mit welchen Mechanismen wir solche Interaktionen von Mikropartikeln und Oberflächen steuern könnten, ließen sich daraus möglicherweise Schlüsse ziehen für Beschichtungs- und Druckprozesse, den Transport von medizinischen Wirkstoffen oder die Behandlung von Atemwegserkrankungen“, vermutet Bionik-Forscher Gorb. In Form spezieller Filter könnten sie vielleicht auch eines Tages Pollenallergikern Abhilfe schaffen.

Das LABORPRAXIS-Allergiedossier Sie interessieren sich für Themen wie Heuschnupfen, Erdnussallergie und Co? In unserem Dossier „Allergien“ finden Sie eine Übersicht von spannenden Forschungsprojekten und -ergebnissen dazu.

Originalpublikationen:

Ito S, Gorb SN: Attachment-based mechanisms underlying capture and release of pollen grains, J. R. Soc. Interface, 7. August 2019, Volume 16, Issue 157, DOI:10.1098/rsif.2019.0269

Ito S, Gorb SN: Fresh “Pollen Adhesive” weakens humidity-dependent pollen adhesion, ACS Applied Materials & Interfaces 11 (27), 24691-24698; DOI: 10.1021/acsami.9b04817

* J. Siekmann, Christian-Albrechts- Universität zu Kiel, 24118 Kiel

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