Maispflanzen kommunizieren miteinander, um sich zu verteidigen, wenn sie nahe beieinander stehen.

Maispflanzen flüstern sich gegenseitig Botschaften zu, um sich gegen ihre Feinde zu verteidigen. Wenn sie nahe beieinander stehen, stoßen sie eine flüchtige Substanz aus, die ihre Nachbarn zur Produktion von Verbindungen anregt, die ihr Wachstum hemmen, aber ihre Abwehrkräfte gegen Schädlinge aktivieren. Darüber hinaus verändern sie das Bodenmikrobiom, mit dem sie interagieren, und hinterlassen so ein Abwehrsystem im Boden, das das Immunsystem der nächsten Generation vorbereitet. Die in Science veröffentlichte Entdeckung ermöglicht den Einsatz pflanzeneigener Substanzen als Pestizide.

Mit einem tadellosen Versuchsaufbau untersuchte eine Gruppe chinesischer, schweizerischer und niederländischer Forscher die optimalen Bedingungen und Folgen des dichten Maisanbaus. Seit Jahrzehnten ermöglicht der dichte Anbau von Mais und anderen Gräsern wie Weizen und Reis eine gesteigerte Produktion dieser Grundnahrungsmittel für die Weltbevölkerung. Doch jede Überbelegung birgt Risiken: Befällt ein Schädling die Felder, kann er sich leichter ausbreiten, wie menschliche Viren deutlich zeigen.

Sie bepflanzten Felder mit einer geringen Dichte von 60.000 Pflanzen pro Hektar, andere mit der doppelten Dichte von 120.000 Pflanzen pro Hektar. Sie stellten fest, dass es an den Rändern beider Felder keine großen Unterschiede gab, die Pflanzen in den überfüllten Feldern jedoch ihr Wurzelsystem veränderten und die Höhe der Kolben, die Chlorophyllkonzentration und die Anzahl der Körner pro Kolben reduzierten. Damit bestätigten sie, dass die Dichte das Wachstum beeinflusst. Sie beobachteten aber auch deutlich weniger Schädlingsbefall dort, wo die Kolben dichter beieinander standen.

„Unsere ursprüngliche Hypothese war, dass bei hoher Pflanzendichte benachbarte Pflanzen näher beieinander stehen, was die chemischen Signale verstärkt, während diese Signale bei geringer Dichte möglicherweise zu schwach sind, um signifikante Reaktionen auszulösen“, sagte Lingfei Hu, Forscher an der Zhejiang-Universität in China und Co-Autor der Experimente, in einer E-Mail.

Um herauszufinden, welche chemischen Signale Mais verwendet, pflanzten sie Hunderte von Setzlingen in unterschiedlichen Dichten von 50, 100, 150 und sogar 200 Jungpflanzen pro Quadratmeter. Als diese ihr viertes Blatt erreicht hatten, entfernten sie die Pflanzen, behielten aber die Erde und pflanzten neue hinein. Dabei stellten sie fest, dass der Mais umso widerstandsfähiger gegen vier seiner schlimmsten Feinde war, je höher die Dichte war: der Herbst-Heerwurm, der die Blätter zerfrisst; der Fadenwurm Meloidogyne incognita , ein Parasit, der die Wurzeln befällt; die Maisblattfäule, ein Pilz, der den Ertrag mindert; und das Schwarzstreifen-Zwergvirus, das ursprünglich aus Reis stammt und auf dieses Gras übergesprungen ist. Es gab etwas in der Luft, im Boden oder in beiden, das sie schützte.

Nachdem sie genetische Ursachen ausgeschlossen hatten, testeten sie verschiedene Sorten und analysierten das Vorhandensein flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs), die von Maisblättern in die Umwelt abgegeben wurden. Sie fanden heraus, dass Linalool in dicht bebauten Feldern die am häufigsten vorkommende VOC war. Dieser Alkohol kommt in vielen Pflanzen vor, insbesondere in aromatischen Früchten oder Zitrusfrüchten, und erinnert mit seinem Duft an Lavendel. „Es handelt sich um einen konstitutiv freigesetzten flüchtigen Stoff, der unter normalen Bedingungen freigesetzt wird. Auch isolierte Pflanzen geben ihn ab“, erinnert sich Hu. Mit konstitutiv meint er, dass er standardmäßig in den Blättern vorkommt, im Gegensatz zu anderen Verbindungen, die die Pflanze nur produziert, wenn sie angegriffen oder gestresst wird.

Linalool entfaltet seine volle Wirkung, wenn Mais in unmittelbarer Nähe steht. „Wir kennen noch nicht die genaue Konzentration, die nötig ist, um eine Reaktion benachbarter Pflanzen auszulösen“, räumt Hu ein. Doch wenn ein kritischer Wert erreicht ist, rüstet sich der Mais zum Kampf. In weniger als drei Tagen haben die umliegenden Pflanzen ihren Stoffwechsel umgestellt und produzieren vermehrt Hormone wie Jasmonsäure, die ihr Immunsystem reaktivieren. Und die Wurzeln sondern sogenannte Benzoxazinoide ab, Verbindungen mit pestizider Wirkung. Als Erstes beeinflussen sie die Rhizosphäre – die Symbiose zwischen nützlichen Pilzen und Wurzeln – sowie die gesamte Bodenmikrobiota. Dadurch wird das Immunsystem in Alarmbereitschaft versetzt. Die Freisetzung von Linalool, die Biosynthese der Hormone und die Ausscheidung der Benzoxazinoide hängen alle zusammen.

„Eine Pflanze setzt Linalool frei, das den Stoffwechsel anderer Pflanzen verändert. Das wirkt sich auf Bodenbakterien aus und bleibt lange nach dem Verschwinden der Pflanze bestehen“, fasst Sergio Ramos, Evolutionsökologe an der Universität Zürich und Forscher auf dem Gebiet der Mais-Duftstoffe, zusammen. Ramos, der an dieser Arbeit nicht beteiligt war, betont: „Mais gehört flächenmäßig zu den weltweit beliebtesten Nutzpflanzen und wurde so gut erforscht, dass seine chemische Kommunikation im Detail bekannt ist.“ Doch wie dies geschah, war rätselhaft. „Mais kann das Insekt, das ihn frisst, anhand der Proteine in seinem Speichel identifizieren.“ Dadurch wird die Produktion induzierter Duftstoffe aktiviert, die erst nach dem Angriff auftreten. Linalool hingegen wird nicht induziert; es ist immer vorhanden. Wie der Forscher jedoch betont, löst es nur über kurze Distanzen eine Reaktion aus: „Alle Duftstoffe neigen dazu, zuzunehmen.“

Für Lucía Martín, Forscherin an der Biologischen Mission von Galicien (MBG-CSIC), ist der wichtigste Aspekt dieser Arbeit – obwohl sie von allem daran fasziniert ist – der Erbguteffekt auf den Boden. „Es wirkt wie ein Impfstoff, der das Immunsystem der nächsten Generation vorbereitet“, sagt sie. Martín hat ihre Doktorarbeit über flüchtige Stoffe in Kartoffeln geschrieben; jetzt untersucht sie diese Stoffe in anderen Pflanzen wie Baumwolle und wird in einigen Wochen nach Schweden reisen, um diesen Erbguteffekt zu untersuchen. Sie entdeckte, wie der Angriff von Mottenlarven auf Kartoffelpflanzen die Freisetzung flüchtiger Stoffe auslöste, die wiederum die Abwehrkräfte anderer Pflanzen aktivierten und diese widerstandsfähiger machten.

Eine der wenigen Schwächen, die die Forscherin bei der Untersuchung mit Maispflanzen sieht und die auch von Ramos hervorgehoben wird, besteht darin, dass diese zwar die auslösende Rolle von Linalool nachweisen, aber nicht erklären, wie benachbarte Pflanzen dessen Aroma hören , riechen oder wahrnehmen. „In anderen Pflanzen wurden mehrere mögliche Rezeptoren identifiziert, aber die Forschung ist noch nicht abgeschlossen“, räumt sie ein. Im Jahr 2024 veröffentlichte die Zeitschrift Science zudem eine Studie, die im Stempel von Petunien einen Rezeptor für einen bestimmten flüchtigen Stoff, Germacren, identifiziert hatte. Mehr ist jedoch nicht bekannt.

Obwohl dies nicht das Ziel der Studie war, weist sie auf den möglichen Einsatz bestimmter flüchtiger Stoffe in der Landwirtschaft hin. Beispielsweise könnte bei erhöhtem Schädlingsrisiko die Freisetzung von Linalool induziert oder sogar in seiner synthetischen Version, die erhältlich ist, verteilt werden. Claude Becker, Biologe an der Universität München (Deutschland), schrieb einen Kommentar zur Forschung von Hu und seinen Kollegen, ebenfalls in Science . In einer E-Mail erinnert er sich, dass „sie Gerste und Weidelgras [eine Grasart] auf Böden anbauten, auf denen zuvor dicht mit Mais angebaut wurde; es stellte sich heraus, dass diese eine stärkere Abwehr gegen Pflanzenfresser zeigten.“ Für ihn heißt das also: „In gewisser Weise scheint Linalool eine allgemeine (indirekte) Wirkung auf die Abwehr von Pflanzen gegen Pflanzenfresser zu haben, die es wahrnehmen.“ Becker weist aber auch darauf hin, dass sie das Ausmaß der Wirkung nicht mit dem eines echten Herbizids verglichen haben.

Für Becker gibt es noch ein letztes Problem, das auch Ramos, Martín und die Autoren selbst hervorheben: „Ein Nachteil ist, dass die Wirkung von Linalool auch zu kleineren Pflanzen führt“, so der deutsche Forscher. Das Ganze sei fast mechanisch; die Ressourcen seien begrenzt und würden entweder für Wachstum oder Verteidigung eingesetzt. Doch das zeige eine weitere Möglichkeit: Wo keine Gefahr bestehe, könne die Unterbrechung der Kommunikation – also die Hemmung der Linaloolproduktion – die Pflanzenentwicklung beschleunigen.