Die ungewöhnlichen Aktionspotenziale der Venusfliegenfalle Leicht reizbar – was die Fliegenfalle zum Zuschnappen bringt

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Mit ihren zuschnappenden „Mäulern“ gleicht die Venusfliegenfalle fast einem Raubtier. Was den Fallenmechanismus im Detail auslöst, ist nach wie vor Gegenstand der Forschung. Ein Team der Uni Würzburg hat nun die einzigartigen Aktionspotenziale aufgeklärt, die das „Zubeißen“ der Pflanze einleiten.

Würzburg – Um Fliegen und andere kleine Tiere jagen zu können, muss die Venusfliegenfalle schneller sein als ihre Beute. Dafür hat sie ein Fangorgan entwickelt, das im Bruchteil einer Sekunde zuschnappen kann und von einer der schnellsten Reizleitungen im Pflanzenreich gesteuert wird. Eine zentrale Rolle spielt dabei ein elektrisches Signal, das so genannte Aktionspotenzial. Wenn beispielsweise eine Fliege eines der sechs Sinneshaare der Venusfliegenfalle berührt, wird solch ein Aktionspotenzial generiert. Damit wird das Fang-Organ quasi „scharf gemacht“, ausgelöst wird erst mit dem zweiten Aktionspotenzial.

Dass die Venusfliegenfalle mithilfe elektrischer Signale jagt, ist schon seit 150 Jahren bekannt. Die Komponenten, die das Aktionspotenzial verantworten, waren jedoch bislang unerforscht. Ein Team um Professor Rainer Hedrich, Biophysiker an der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg, hat sich jetzt mit dem Thema befasst. Im Mittelpunkt ihrer nun veröffentlichten Studie stehen Glutamat-Rezeptor-Kanäle und Ionentransportproteine, die das Aktionspotenzial in Schwung bringen.

Was die Venusfliegenfalle erregt

Eine grundlegende Frage für das Team war dabei, zu welchem Zeitpunkt in seiner Entwicklung das Fang-Organ der Venusfliegenfalle überhaupt elektrisch erregbar wird. Die Antwort gab Erstautor Sönke Scherzer: „Erst wenn die Falle fertig entwickelt ist und sich das erste Mal öffnet, feuert sie die unverwechselbaren Aktionspotenziale.“

Solch ein Aktionspotenzial dauert in der Regel nur ein bis zwei Sekunden an und breitet sich wellenförmig aus. Das Membranpotenzial – also die elektrische Spannung zwischen Zellinnerem und Zelläußerem – sinkt dabei während der Depolarisation rasch, um während der anschließenden Repolarisation wieder zu steigen, zunächst über den ursprünglichen Ruhewert hinaus, bevor es sich dann langsam wieder dem Ursprungswert nähert.

Für die Kommunikation innerhalb der Zelle sowie zwischen Zellen, Geweben und Organen nutzen Pflanzen zusätzlich so genannte Kalzium-Wellen, die über positiv geladene Ca²⁺-Ionen vermittelt werden. „Mithilfe von Fliegenfallen, die das Gen für ein Kalziumionen-Reporterprotein trugen, konnten wir zeigen, dass Aktionspotenziale und Kalzium-Signale nicht nur aufeinander abgestimmt erscheinen, sondern sich zudem mit der gleichen Geschwindigkeit ausbreiten“, sagt Studienleiter Hedrich.

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Komplexer als bei Fliege und Mensch

Verglichen mit ihren Opfern, den Fliegen, ist das Aktionspotenzial der Venusfliegenfalle laut den neuen Erkenntnissen der Forscher deutlich komplexer – komplexer sogar als das des Menschen. „Während das Aktionspotenzial von Menschen und Fliegen auf nur einem Natrium- und einem Kalium-Kanal basiert, verfügt die Venusfliegenfalle über zwei weitere Komponenten“, erklärt Hedrich.

So sorgt ein Verwandter des Fliegen-Kalium-Kanals bei der Fliegenfalle zusammen mit der Protonen-Pumpe für die Repolarisation des Aktionspotenzials. Natrium-Kanäle kommen bei diesem Vorgang in Pflanzen nicht vor. Stattdessen wird die Depolarisation des Aktionspotenzials der Fliegenfalle durch den Glutamatrezeptor-Kalziumkanal zusammen mit dem von ihm abhängigen Anionenkanal erreicht.

Noch einige Fragen sind offen

Pflanzen verfügen über etwa 20 Glutamat-Rezeptor-Kanäle, besitzen aber keine Synapsen. Wofür braucht die Pflanze so viele Rezeptoren? Wo kommt das Glutamat bei der Reizung her und wie wird es im Ruhezustand gehalten? Mit diesen Fragen will sich Hedrichs Team in kommenden Studien beschäftigen. „Dies werden wir bald mithilfe genetisch codierter Glutamat-Sensoren in Pflanzen klären können“, sagt der Forscher.

In puncto Struktur, Funktion und Regulation von Glutamat-Rezeptor-Kanälen und Glutamat-Transportern haben die Wissenschaftler aktuell noch mehr Fragen als Antworten. „Möglicherweise weist uns hier die Evolution den Weg“, sagt Hedrich. „In sehr frühen Landpflanzen findet man Vertreter mit nur einem Glutamatrezeptor-Kanal. Die Frage ist, ob es einen Zusammenhang zwischen der Evolution dieser Kanäle und der Erregbarkeit von Pflanzen gibt. Das wollen wir herausfinden.“

Originalpublikation: Sönke Scherzer, Jennifer Böhm, Shouguang Huang, Anda Iosip, Ines Kreuzer, Dirk Becker, Manfred Heckmann, Khaled Al-Rasheid, Ingo Dreyer, Rainer Hedrich: A unique inventory of ion transporters poises the Venus flytrap to fast-propagating action potentials and calcium waves, Current Biology; DOI: 10.1016/j.cub.2022.08.051

* K. Lozina, Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU), 97070 Würzburg

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