Würzburg, Germany
March 16, 2016
Aphids puncture the phloem vessels of plants. They can be used as biosensors for measuring electrical signals. (Picture: Jörg Fromm / Christian Wiese)
Do plants have some kind of nervous system? This is difficult to establish as there are no suitable measurement methods around. Plant researchers from Würzburg used aphids for this purpose – and discovered that plants respond differently to different kinds of damage.
When a plant is mechanically injured or exposed to cold, it will send electrical signals through its body. In both cases, the signals cover large distances of as much as ten centimetres and more. The signals travel from the areas that have been injured or exposed to cold to all other organs which then react accordingly, for example by synthesizing proteins that protect the plant against cold.
An injury triggers totally different electrical signals than a cold shock. Biophysicist Professor Rainer Hedrich of the Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU), Germany, and his team made this discovery using the model of thale cress (Arabidopsis thaliana).
Electrical signals travel alongside the sieve tube elements of plants. (Picture: Rosalia Deeken / Sönke Scherzer /Christian Wiese)
A cut injury at a leaf triggers relatively slow electrical pulses over several minutes. Exposure to cold, in contrast, causes quicker pulses about 15 seconds long. "These differences indicate that the electrical signals each have a specific meaning," Hedrich further.
Electrical signals at the sieve tubes
Could this principle be similar to that of the human nervous system? Here, electrical signals travel alongside specialized cells, bridge synapses and ultimately trigger a response in the body. Plants, however, do not have a brain, nor nerve cells or synapses. According to Hedrich, there is hence no serious scientific evidence to attribute intelligence to plants and proclaim a "plant neurobiology".
Nevertheless, many researchers today are convinced that plants also use electrical signals to exchange information between the organs of their body. Hedrich's work on the Venus flytrap has even demonstrated that the carnivorous plant is capable of counting the electrical signals sent and make decisions based on this.
Such signals can be measured in the sieve tube elements which form a system of interconnected cells that pervades the entire plant like a vascular system and usually transports sugar and other substances.
Measuring signals difficult previously
Are the sieve tubes the "green power cable" or even some kind of "nervous system of the plant? This assessment is controversial – due to a methodical issue among others: So far, scientists have not had the proper tools to measure the transmission of electrical signals in plants over longer distances.
Rainer Hedrich, Vicenta Salvador-Recatalà and Ingo Dreyer have now developed an elegant solution to this problem which they publish in the science magazine “Trends in Plant Science”: The plant scientists used aphids as biosensors. They enhanced a method that has been known since 1964 which involves an electric circuit being generated between the aphid and the plant.
Aphids allowed to suck for the benefit of research
How that works? Aphids puncture the phloem vessels of plants and suck the sugary sap. If a fine wire is glued to their body and connected to an electrode sitting in the earth of a potted plant, an electric circuit is created between aphid and plant. It allows measuring how the electrical signals propagate in the sieve tubes.
This method will now be used to answer a number of questions. How and where are the signals created? What kind of information do they carry? Where are they registered and what reactions do they trigger? So there is still plenty of work for the Würzburg scientists to do – as well as for the plant lice that puncture and suck in the name of science.
“Electrical Wiring and Long-Distance Plant Communication”, Rainer Hedrich, Vicenta Salvador Recatalà, Ingo Dreyer, Trends in Plant Science, 12 February 2016, DOI: 10.1016/j.tplants.2016.01.016
Blattläuse als Bio-Sensoren
Haben Pflanzen eine Art Nervensystem? Das ist nicht leicht herauszufinden, weil es keine guten Messmethoden gibt. Würzburger Pflanzenforscher nahmen dafür Blattläuse – und entdeckten, dass Pflanzen auf verschiedene Schädigungen jeweils anders reagieren.
Wenn eine Pflanze mechanisch verletzt oder mit Kälte konfrontiert wird, schickt sie elektrische Impulse durch ihren Körper. In beiden Fällen legen die Signale größere Strecken zurück, und zwar zehn Zentimeter und mehr. Die Signale laufen von den verwundeten oder unterkühlten Stellen in alle anderen Organe, die dann passend reagieren – zum Beispiel indem sie Proteine synthetisieren, die Pflanzen vor Kälte schützen.
Eine Verletzung verursacht dabei völlig andere elektrische Signale als ein Kälteschock. Das hat der Biophysiker Professor Rainer Hedrich von der Uni Würzburg mit seinem Team an der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) entdeckt.
Eine Schnittverletzung an einem Blatt löst relativ langsame elektrische Impulse aus, die sich über mehrere Minuten hinziehen. Kälteeinwirkung dagegen führte zu schnelleren, etwa 15 Sekunden kurzen Impulsen. „Diese Unterschiede sind für uns ein Hinweis darauf, dass die elektrischen Signale jeweils eine spezielle Bedeutung haben“, so Hedrich.
Elektrische Signale an den Siebröhren
Steckt hinter dieser Sache vielleicht ein ähnliches Prinzip wie beim Nervensystem des Menschen? Dort laufen elektrische Signale an spezialisierten Zellen entlang, überbrücken Synapsen und lösen am Ende eine Reaktion im Körper aus. Pflanzen allerdings haben kein Gehirn, keine Nervenzellen und keine Synapsen. Deshalb gebe es auch keine ernsthaften wissenschaftlichen Gründe, ihnen eine Intelligenz zuzuschreiben und eine „Pflanzenneurobiologie“ zu proklamieren, so Hedrich.
Trotzdem sind mittlerweile viele Wissenschaftler davon überzeugt, dass auch Pflanzen über elektrische Signale Informationen zwischen den Organen ihres Körpers austauschen. Hedrichs Arbeiten an der Venusfliegenfalle haben sogar gezeigt, dass diese fleischfressende Pflanze die gesendeten elektrischen Signale zählen kann und danach Entscheidungen fällt.
Messen lassen sich solche Signale in den Siebröhren. Das ist ein Leitungssystem aus miteinander gekoppelten Zellen, das sich wie ein Gefäßsystem durch die ganze Pflanze zieht und in dem ansonsten Zucker und andere Stoffe transportiert werden.
Messung der Signale bislang schwierig
Sind die Siebröhren das „grüne Stromkabel“ oder sogar eine Art „Nervensystem“ der Pflanze? Diese Einschätzung ist umstritten – was unter anderem einen methodischen Grund hat: Die Wissenschaft verfügt bislang über keine guten Werkzeuge, um in Pflanzen die Weiterleitung elektrischer Signale über größere Entfernungen zu messen.
Rainer Hedrich, Vicenta Salvador-Recatalà und Ingo Dreyer haben nun eine elegante Lösung für dieses Problem gefunden, die sie im Fachmagazin „Trends in Plant Science“ vorstellen: Die Pflanzenwissenschaftler benutzen Blattläuse als Bio-Sensoren. Sie haben dafür eine seit 1964 bekannte Methodik weiterentwickelt, bei der zwischen Blattlaus und Pflanze ein elektrischer Stromkreis erzeugt wird.
Läuse saugen im Dienst der Forschung
Wie das funktioniert? Blattläuse stechen sehr zielgenau in die Siebröhren von Pflanzen und saugen den zuckerhaltigen Saft. Klebt man ihnen einen feinen Draht an den Körper und verbindet ihn mit einer Elektrode, die in der Erde einer eingetopften Pflanze steckt, entsteht zwischen Laus und Pflanze ein Stromkreis. Über ihn lässt sich die Ausbreitung elektrischer Signale in den Siebröhren messen.
Mit dieser Methode gilt es nun viele Fragen zu klären. Wie und wo entstehen die Signale? Welche Informationen transportieren sie? Wo werden sie registriert und welche Reaktionen folgen darauf? Genug Arbeit also für die Würzburger Wissenschaftler – und auch für die Blattläuse, die im Dienst der Forschung stechen und saugen.
„Wir wollen aber auch versuchen, die ‚Bioelektroden‘ zu entlasten“, so Hedrich, „indem wir Gene für Membranpotential-sensitive Reporterproteine im Phloem exprimieren und so die elektrischen Ereignisse des gesamten ‚grünen‘ Schaltkreises einer Pflanze überwachen können.“
“Electrical Wiring and Long-Distance Plant Communication”, Rainer Hedrich, Vicenta Salvador Recatalà, Ingo Dreyer, Trends in Plant Science, 12. Februar 2016, DOI: 10.1016/j.tplants.2016.01.016
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