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Für Charles Darwin war es durchaus vorstellbar, dass auch Pflanzen einen Verstand besitzen, denn beim Wachsen der Wurzeln etwa ließen sie sich „von etwas gleich dem Gehirn niederer Tiere“ leiten. Darwin experimentierte mit Pflanzen und bemerkte etwa, dass sie auf Reize an einer Stelle ihres Körpers auf einer ganz anderen Stelle reagieren, dass sie also Information durch Nervenbahnen übertragen können. Ihm fiel auch auf, dass sich etwa der Sonnentau extrem rasch bewegen kann, wenn er mit seinen Tentakeln Beute macht, die Signale müssen blitzschnell laufen, eben wie in Nerven. Auch Alexander von Humboldt hatte bemerkt, dass sich in Pflanzen elektrische Erregungen fortpflanzen und vermutete ein gemeinsames bioelektrisches Prinzip bei Flora und Fauna, auch wenn diese kein peripheres oder zentrales Nervensystem wie Tiere besitzen. Schließlich bahnen sich Wurzeln ihren Weg mit Bedacht, sie weichen anderen Wurzeln aus, verletzte Pflanzen senden Duftstoffe zur Abwehr der Attacken aus, wobei diese Duftstoffe von anderen Pflanzen anscheinend als Signale wahrgenommen und interpretiert werden. Obwohl Pflanzen nach gängiger Lesart kein Gehirn und keine Nerven besitzen und demnach gar nicht denken können, merken sie sich etwa vergangene Kälteperioden und richten ihren Blühzeitpunkt danach, wobei die fleischfressende Venusfliegenfalle sogar zählen und sich das Ergebnis merken kann.

Haben Pflanzen ein Gehirn?

Forscher aus Florenz und Bonn haben hirnähnliche Funktionen in Pflanzenwurzeln entdeckt, wobei die zellbiologischen Strukturen ähnlich aussehen wie Zellen im Gehirn von Tieren. Eine Zellschicht oberhalb der Wurzelspitze weist ähnliche Eigenschaften auf wie ein tierisches Gehirn und dort herrsche große Aktivität, obwohl die Zellen weder wachsen noch andere besondere Leistungen zeigen. Sie transportieren winzige Bläschen (Vesikel), gefüllt mit Substanzen, hin und her. Dünne Fäden aus Eiweiß (Aktinfilamente) ziehen die Transportvesikel durch die Zellen. Das sind die gleichen Eiweißfäden aus dem Zellskelett, die für Muskelbewegungen im Tierreich und beim Menschen zuständig sind. Einige Strukturen erinnern an Synapsen, wobei dort Informationen verarbeitet werden, was sich direkt auf das Verhalten der Wurzel auswirkt. Die Wurzelspitze registriert zum Beispiel Licht oder einen Giftstoff. Die Information wird in die Region hinter der Wurzelspitze geleitet. Hier wird sie registriert und weiter geleitet in die Wachstumszonen der Wurzel. Jetzt weiß die Wurzel, in welche Richtung sie wachsen soll und reagiert innerhalb weniger Stunden. Diese Arbeitsweise unterscheidet sich kaum von einem Gehirn in der Tierwelt und ist so etwas Ähnliches wie ein Nervensystem, denn es hat die gleichen Aufgaben, ist aber ganz anders aufgebaut. Manche Forscher sind skeptischer und wollen von einem botanischen Nervensystem oder von pflanzlicher Neurobiologie lieber nicht reden, auch wenn fest steht, dass Pflanzen elektrische Signale benutzen, um auf die Außenwelt zu reagieren, denn nur so hat die Pflanze die Möglichkeit, auf Feinde zu reagieren wie auf Blattläuse oder Raupen. Fügt man etwa einem Bohnenblatt mit einer Rasierklinge eine Verletzung zu, schon strömen elektrische Impulse von Blatt zu Blatt. Diese Signale ermöglichen der Pflanze eine Abwehrreaktion, wobei die Geschwindigkeit dieser Signale mit 1 cm/Sekunde sehr gering ist.

Bäume können übrigens miteinander kommunizieren, wobei diese Kommunikation entweder über Duftstoffe oder über das Ektomykorrhiza, das Pilzgeflecht, mit dem im Prinzip der ganze Wald verbunden ist, erfolgt.

Shimizu et al. (2010) konnten zeigen, dass ein für die Blütezeit verantwortliches Gen als Gedächtnis fungiert. Dieses Gen registriert die Temperatur der letzten sechs Wochen und beeinflusst die pflanzliche Entwicklung dementsprechend. Viele Pflanzen blühen im Frühjahr, da sie die längere Kälteperiode des vorangegangenen Winters erkennen können, wobei die Pflanzen unempfindlich gegenüber kurzfristig schwankenden Temperaturen sein müssen, wie sie auf Grund des Tag-Nacht-Rhythmus oder von Wetterveränderungen über mehrere Tage respektive Wochen hin auftreten können. Diese Temperaturschwankungen laufen oft dem saisonalen Trend entgegen und müssen von der Pflanze als solche erkannt werden. Ohne ein Langzeitgedächtnis für vorangegangene Temperaturen wäre es für Pflanzen sehr schwierig, die richtige Saison für die Blüte zu erkennen. Forschungsobjekte waren Pflanzen der Spezies Arabidopsis halleri (Hallersche Schaumkresse), die sich vom Tiefland bis hin zu alpinen Regionen in Europa und Ostasien ausgebreitet hat. Messungen ergabennun , dass das Gen Informationen über die Temperaturentwicklung der letzten sechs Wochen gespeichert hat, denn das Blühverhalten konnte zu einem Großteil (83 Prozent) durch die Temperaturen der vorangegangenen sechs Wochen erkläret werden, nicht aber durch die Temperaturen über längere oder kürzere Zeiträume.

Neuere Untersuchungen von Sohini Chakrabortee vom Whitehead Institute for Medical Research in Cambridge zeigen, dass Prionen die Basis molekularer Erinnerungen bei Pflanzen bilden könnten, denn man hat erstmals entdeckt, dass sich bestimmte Pflanzenproteine in Prionen umwandeln können. Diese Moleküle können nicht nur Informationen speichern und übertragen, sie beeinflussen auch Anlagerungen im Erbgut und könnten so die Basis des Pflanzengedächtnisses bilden. Für ihre Studie fahndeten die Wissenschaftler gezielt nach Proteinen in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana, die prionenähnliche Abschnitte besitzen, und bei mehr als 500 Proteinen wurden sie fündig. Auffallend war, dass vier von acht Proteinen im autonomen Blüh-Signalweg solche Priondomänen enthielten, wobei dieser Signalweg den Blühzeitpunkt kontrolliert. Um herauszufinden, ob diese Priondomänen dazu fähig sind, echte Prionen zu produzieren und ihre Faltung auch auf andere Proteine zu übertragen, setzten die Forscher diese pflanzlichen Proteinabschnitte in Hefen ein, denn an ein bestimmtes Hefe-Protein gekoppelt, müsste das aktive Pflanzenprion dafür sorgen, dass die Hefe trotz einer fehlenden Substanz im Nährmedium weißliche Kolonien bildet und das über mehrere Generationen hinweg. Ist das Protein kein echtes Prion, bleiben die Hefekolonien dagegen rot. Mit einem der eingeschleusten Pflanzenproteine wuchsen tatsächlich weiße Hefekolonien auf dem Testmedium, wobei das aus der Ackerschmalwand stammende Protein Luminidependens echte Prionen gebildet hatte, die die Wachstumseigenschaften der Hefe beeinflussten.

Michal Gruntman und Katja Tielbörger (Universität Tübingen, Vegetationsökologie) arbeiten aktuell am Forschungsprojekt „Pawlow’sche Pflanzen“ und untersuchen darin etwa, ob sich eine Pflanze, wenn sie täglich um vier Uhr gegossen wird, irgendwann beginnt, sich darauf vorzubereiten. Ein Beispiel für eine lernfähige Pflanze ist etwa die Mimose, deren Blätter sich bei Berühung aufstellen, und irgendwann jedoch, wenn wiederholt keine Nahrung auftaucht, sie den Reiz ignoriert. Kann man also die Mimose, die Ackerschmalwand und die fleischfressende Venusfliegenfalle dazu bringen, auf eingeübte Signale zu reagieren? Möglicherweise unterscheiden sich Pflanzen und Tiere gar nicht so sehr bzw. es scheint möglich, dass sich die Unterschiede etwas verwischen, denn Pflanzen können ihre eigene Nahrung zubereiten, indem die Photosynthese den Pflanzen ermöglicht, mit Hilfe von Sonnenenergie Kohlenhydrate zu erzeugen, etwas, was Tiere nicht können. Pflanzen besitzen jedoch kein zentrales Nervensystem, mit dem sie alle Teile ihres Organismus steuern können, was diese aber mit speziellen Botenstoffen wie etwa Hormonen ausgleichen, die für eine Verbindung der Teile der Pflanze sorgen und diese somit theoretisch ein bisschen mehr zum Tier machen.

Sind Pflanzen intelligent?

Auch wenn man Pflanzen keine Intelligenz zutraut, gibt es doch zahlreiche Fähigkeiten, die als eine solche interpretiert werden können: Pflanzen orientieren sich im Raum, reagieren auf Berührungen, bilden bei Annäherung von Fressfeinden Abwehrstoffe oder merken sich ihr Leben lang, auf welcher Seite sie als Keimling verletzt wurden. Pflanzen sind bekanntlich sehr anpassungsfähig und stehen in einem permanenten Austausch mit ihrer Umwelt. Sie leben in einem dynamischen Netz von Beziehungen und Wechselwirkungen, die sie weit mehr beeinflussen können als etwa Tiere. Pflanzen können ihre Umgebung direkt über Duft strukturieren, da diese Duftstoffe Wirkstoffe sind, die etwa das Keimen oder das Wachstum anderer Pflanzen behindern oder auch stimulieren können, sodass letztendlich eine Pflanze sogar kontrollieren kann, wer da in ihrer Umgebung wächst. Forschungen aus der Zell- und Molekularbiologie der letzten paar Jahre zeigen, dass Pflanzen miteinander kommunizieren, und zwar sehr differenziert, etwa indem sie die Duftstoffzeichen, die sie empfangen zuerst erkennen, dann interpretieren und dann darauf antworten und reagieren. Düfte kann man daher im Grunde genommen als eine Sprache auf Molekülebene bezeichnen. Pflanzen, wenn sie von Insekten oder von Mikroorganismen befallen werden, beginnen, eine gewisse Folge von Duftsignalen auszusenden. Je nach Art der Verletzung synthetisieren manche Pflanzen unterschiedliche Duftstoffe, also auf Insektenbefall antwortet sie deutlich anders als auf eine zufällige mechanische Verletzung. Auch die Art des Schädlings wissen manche Pflanzen zu unterscheiden, denn wird der Wilde Tabak von Käfern oder Raupen angegriffen, steigert er seine Nikotinproduktion (Nikotin ist für Insekten ein Nervengift), während die Raupe des Tabakschwärmers, dieselbst resistent gegen Nikotin ist und es im Körper speichert, um selbst ungenießbar zu werden, schaltet die Pflanze plötzlich um auf indirekte Verteidigung, indem sie einen Duftstoff produziert, der die Fressfeinde der Tabakschwärmerraupe anlockt und gleichzeitig die Nikotinproduktion drosselt, wodurch die Raupen für die Fressfeinde genießbar werden. Intelligente Leistungen sind somit nicht notwendig an die Existenz eines Gehirns gebunden.

Die Ragwurz imitiert den Sexuallockstoff von weiblichen Bienen und zieht dadurch männliche Bienen an, wobei diese versuchen, mit der Blüte, die ähnlich wie ein Bienenflügel schillert, zu kopulieren. Dabei bleiben die Pollen am Körper des Bienenmännchens hängen, und wenn das Insekt dann zur nächsten Ragwurz-Blüte fliegt, liefert es die Pollen zur Befruchtung ab. Die Ragwurz berücksichtigt dabei, dass jedes Bienenweibchen einen individuellen Geruch hat, und mischt die Duftkomponente ihrer Blüten so unterschiedlich, sodass sich ihr Geruch wie jener der Bienenweibchen leicht unterscheidet.

Auch die Berberitzen haben ein Problem, das sie mit "Weitsicht" lösen müssen, denn deren Früchte können von Fruchtfliegen befallen werden, deren Larven sich in den Samenkörnern einnisten, von denen es in jeder Frucht entweder einen oder zwei gibt. Sind es zwei, wirft die Berberitze häufig den befallenen Samen ab, um den noch nicht befallenen Samen zu retten, denn am abgeworfenen verendet die Fruchtfliegenlarve. Ist jedoch nur ein Samenkorn in der Frucht, gibt sie ihn verloren und wendet keine Energie für das Abwerfen auf.

Der Baum Glochidion lanceolarium, eine Platanenart, produziert des Nachts einen Geruchsstoff, den manche Motten unwiderstehlich finden, d. h., die Weibchen fliegen von Blüte zu Blüte und bestäuben diese. Danach legen diese Motten ihre Eier in in die Blüte und wenn einige Monate später die Larve schlüpft, hat sich die Blüte längst zu einer Frucht entwickelt, deren Hülle das Tier zwar schützt und mit Nahrung in Form eines ihrer Samen versorgt, aus der die Motte aber nicht entkommen kann, selbst dann nicht, wenn sie vollständig entwickelt ist und Flügel hat. Die Motten verbringen daher fast ihr ganzes Leben im Inneren der Pflanze, d. h., der Baum hält die Tiere so lange gefangen, bis er erneut blüht und erst dann werden seine Früchte reif, brechen auf und lassen die Motten wieder frei, sodass der Kreislauf erneut beginnen kann.

Der Aronstab Helicidiceros muscivorus imitiert den Geruch von faulendem Fleisch und lockt damit weibliche Fleischfliegen an, die ihre Eier vorzugsweise in Tierkadaver legen. Wenn die Fliegenweibchen in den Kelch der Blüte gekrabbelt sind, sitzen sie in der Falle. Zwangsläufig bestäuben die Tiere dann die weiblichen Blüten am Grund des Kelchs mit Pollen von Blüten, die sie zuvor besucht haben. Um eine Selbstbestäubung zu vermeiden, reifen die männlichen Blüten erst einige Stunden später. Die Pflanze hält die Fliegen so lange gefangen, bis ihre männlichen Blüten genügend Pollen produziert haben und die Fliegen über und über damit eingepudert sind. Nach etwa 24 Stunden gibt der Aronstab den Ausgang frei und die Fliegen tragen ihre Pollen weiter.

Wächst ein Baum etwa mit viel Wasser auf, ist er einer plötzlich auftretenden Trockenheit hilflos ausgeliefert und stirbt schneller daran als Bäume, die karger aufgewachsen waren und daher keinen Überfluss erwarten und somit robuster sind. In einem natürlich gewachsenen Wald – im Gegensatz zu einer Plantage – verbinden sich die Baumindividuen unterirdisch durch ein riesiges Geflecht von Pilzen, die das Wasser verteilen, Nährstoffe weiterleiten oder Schwermetalle ausfiltern. Die Bäume kommunizieren aber auch über ihr Wurzel- und Laubwerk und reagieren mit veränderten Duftstoffen, so blühen und fruchten Eichen und Buchen nur alle fünf bis sieben Jahre und sie stimmen einander ab, wann das geschehen soll. Vor allem Buchen bilden so eine Art Familie, wobei die dichte Laubkrone der Mutterbuche ihre Kinder über Jahrzehnte hinweg durch Lichtdrosselung schützt, sodass sie langsamer wachsen, denn dieses langsame Wachstum ist eine Voraussetzung für das Erreichen eines hohen Alters. Über die Wurzeln aber versorgen die Mutterbuchen ihren Nachwuchs mit Zucker und anderen Nährstoffen, wobei noch eine Schutzfunktion hinzukommt, denn ohne Licht bleiben die Knospen der Jungbuchen bitter, was verhindert, dass sie von Rehen und Hirschen gefressen werden. Wenn der Mutterbaum stirbt und fällt, stellt sich der Stoffwechsel der Jungbuchen auf Licht um, das Höhenwachstum setzt ein, und die Knospen werden zuckerhaltiger.

Michel Thellier beschreibt in seinem Buch „Haben Pflanzen ein Gedächtnis?“ zahlreiche Experimente mit Flachs-Keimlingen oder jungen Paradeiserstauden, in denen zweifelsfrei nachgewiesen werden konnte, dass die Reaktionen auf bestimmte Stimuli von der Vorgeschichte der Pflanzen abhängen. Das bedeutet letztlich nichts anderes, als dass auch Pflanzen lernfähig sind und ihre Erfahrungen abrufen können, wenn sie sie benötigen.

Eher kurios mutet an, was der italienische Botaniker Stefano Mancuso denkt, denn er hält Pflanzen für intelligente Wesen, die sich in einer Duftsprache miteinander unterhalten und ein Gedächtnis besitzen, weshalb sie auch lernen könnten. Angeblich spielen Sonnenblumen sogar miteinander, denn er hat auf Zeitraffervideos beobachtet, dass Sonnenblumen sich ständig im Kreis drehen und dadurch versuchen, ihre Umgebung und einander kennenzulernen, um herauszufinden, wie sie zusammenleben können. Der Botaniker hält sie demnach für soziale Pflanzen, sodass sie auch nur auf eine ethisch vertretbare Weise angebaut werden sollten.

Jüngst konnte auch gezeigt werden, dass Pflanzen gut hören und darauf regieren können, denn Blumen erhöhen, nur drei Minuten nachdem Schwirrgeräusche von Bienen, Faltern und anderen Bestäubern zu hören waren, der Zuckergehalt im Nektar um ein Fünftel. Der wilde Tabak produziert Nikotin, um Fressfeinde abzuschrecken, doch speziell angepasste Tabakschwärmer sind unempfindlich gegen Nikotin, für sie produziert der Tabak spezielle Abwehrstoffe, allerdings erst vier Tage nach einem Raupenbefall, den die Pflanzen anhand des Speichels erkennen. Diese Verzögerung liegt in der besonderen Ökologie des Wilden Tabaks gegründet: Die Samen liegen oft jahrelang im Wüstenboden, bis sie durch einen Buschbrand zum Leben erweckt werden. Dann keimen Tausende Pflanzen gleichzeitig aus und konkurrieren um Wasser und Nährstoffe. In diesem Umfeld ist die verzögerte Reaktion nützlich, denn junge, noch kleine Raupen richten noch keine großen Schäden an, sondern erst ab einem Alter von zehn Tagen beginnen sie ihr Zerstörungswerk. Daher ist es besser, die Verteidigung verzögert zu beginnen und die Raupen zum Nachbarn zu vertreiben, wodurch sie viel Energie sparen, denn die Produktion der des Abwehrstoffes ist aufwendig (Kugler, 2019).

Stress-Gedächtnis von Pflanzen

Nach neueren Studien haben Pflanzen eine Möglichkeit entwickelt, sich an früheren Stress zu erinnern, etwa an sehr hohe Salzwerte, wodurch kommende Pflanzengenerationen deutlich widerstandsfähiger werden. Dabei wird das "Stress-Gedächtnis" epigenetisch in bestimmte Bereiche der Pflanzen-DNA einprogrammiert, wobei dabei nach neueren Untersuchungen chemische Veränderungen der Cytosin-Methylierung entscheidend sind. Die nun gemachte Entdeckung des Mechanismus, durch den Pflanzen in der Lage sind, sich an frühere Belastungen zu erinnern und sich entsprechend selbst zu optimieren, könnte die Züchtung von resistenteren Pflanzen ermöglichen. Es zeigte sich auch, dass die Erinnerung der Pflanzen bei einem Mangel an Stress wieder weniger stark wird, d. h., sie "verlernen" wieder die Anpassung an die widrigen Umstände. Zusätzlich konnte man nachweisen, dass das Stress-Gedächtnis durch Mutationen bei Genen, die für das Rücksetzen der DNA-Methylierung verantwortlich sind, festgelegt werden kann. Bisher war der Umfang des Stress-Gedächtnisses bei Pflanzen unbekannt.

Forscher des Gregor Mendel Instituts für Molekulare Pflanzenbiologie haben auch herausgefunden, dass bei Pflanzen kurz vor Zellteilung eine Art epigenetisches Gedächtnis wiederhergestellt wird. Manche Pflanzen müssen bekanntlich eine Kälteperiode überstanden haben damit sie im Frühling blühen können, wobei sich die Frage stellt, wie Pflanzen es bemerken, dass sie den Winter hinter sich haben. Bei Kälte wird eine Variante des DNA-Verpackungsmaterials gebildet, das H3K27me3, das über den Winter hinweg ein Gen ausschaltet, dass normalerweise die Blütenbildung hemmt, wodurch sind die Pflanzen in der Lage sind sofort zu blühen, sobald es im Frühling wärmer wird. Durch Zellteilung wird das Niveau von H3K27me3 in den entstehenden Zellen reduziert, weshalb man schon länger vermutete, dass es einen Mechanismus geben muss, der dieses Niveau wieder auf das Ausgangsniveau anhebt und somit die Blütenbildung zulässt. Experimente von Jiang & Berger (2017) erklären, wie H3K27me3 nach einer DNA-Kopie, die während der Zellteilung entsteht, erhalten bleibt. Diese Information legt ebenfalls fest, welche Funktion die einzelne Zelle in ihrer Zukunft übernehmen soll, die einer Wurzelzelle, einer Blattzelle oder eine andere Funktion. Die Ergebnisse zeigen, dass die Proteine, die für die Wiederherstellung des H3K27me3-Niveaus verantwortlich sind, direkt mit den Proteinen assoziiert sind, die für das DNA-Kopieren zuständig sind. Dieser Mechanismus ist wahrscheinlich wichtig, um Pflanzenzellen zu helfen sich zu erinnern, was sie sind. Die Regulierung von H3K27me3 dürfte auch einer der Gründe dafür sein, dass Pflanzenzellen sich leichter in andere Zellentypen verwandeln können als Tierzellen, sich also leichter regenerieren und durch dieses Gedächtnis besser mit Umwelt-Stress wie Kälte und Dürre umgehen können.

Bei Trockenheit benutzen Pflanzen ebenfalls GABA (Gamma-Aminobuttersäure), also ein von Tieren bekanntes Signalmolekül, um ihren Wasserverlust zu begrenzen, was ihnen eine Art Gedächtnis dafür verschafft, wie trocken der jeweilige Tag war. Xu et al. (2021) zeigten, dass je trockener es ist, umso mehr GABA sich im Lauf des Tages im Pflanzengewebe anhäuft, wobei am nächsten Morgen die Menge dieses Botenstoffes darüber entscheidet, wie weit die Pflanze ihre Blattporen aufmacht, um den Wasserverlust zu regulieren. Es konnte schon früher gezeigt werden, dass das Kurzzeitgedächtnis, mit dem die fleischfressende Venusfliegenfalle die Zahl der Berührungen durch ihre Beutetiere zählt, vom Kalziumspiegel in der Zelle abhängt, wobei dieser Kalziumspiegel die enzymatische Biosynthese von GABA in Pflanzen reguliert. Die GABA-Wirkung wurde auch bei verschiedenen Ackerfrüchten nachgewiesen, denn unter dem Einfluss von GABA schließen etwa Gerste, Saubohnen und Sojabohnen ihre Blattporen. Derartig reagieren übrigens auch Laborpflanzen, die durch Mutationen mehr GABA produzieren als normal, sodass diese Mutanten in Experimenten weniger Wasser brauchen und eine Trockenheit länger überstehen.

Neuere Untersuchungen zeigen auch, dass Bäume bis zu einem gewissen Maß ihre Erinnerung an Umweltbedingungen sogar an ihre Nachkommen weitergeben können. So können sich Bäume nicht nur auf trockene Bedingungen einstellen, indem sie mehr Wurzeln bilden, sondern dieses Wissen wird an ihre Nachkommen vererbt. In einem Bewässerungsversuch im Kanton Wallis in der Schweiz bewässerte man mehrere Parzellen, um die Abhängigkeit des Föhrenwachstums von der Wassermenge aufzuzeigen. Die erst trockengestressten und dann bewässerten Bäume entwickelten sich über mehr als ein Jahrzehnt sehr gut. Sie entwickelten eine dichtere Krone und dickere Stämme als ihre nicht-bewässerten Nachbarn. Auf einzelnen Flächenteilen wurde Ende 2013 das Wasser wieder abgestellt. Es stellte sich die Frage, ob die Bäume von den fetten Jahren profitieren konnten oder ob sie nach der langen Bewässerungsphase schlechter an die wieder trockeneren Verhältnisse angepasst waren. Die Antwort ist dabei vielschichtig, da verschiedene Organe des Baumes unterschiedlich reagierten. Zu den erwarteten Reaktionen auf das Abschalten der Bewässerung gehört etwa, dass die neu gebildeten Nadeln kürzer wachsen als jene in den Jahren mit Bewässerung. Überraschend hingegen war, dass die Länge neuer Asttriebe nicht im ersten, sondern erst im zweiten Jahr ohne Bewässerung abnahm. Ein erster Hinweis auf einen Legacy-Effekt, wobei man unter diesem Begriff verzögerte Wachstumsreaktionen zusammenfasst, die nicht durch die aktuell herrschenden Bedingungen, sondern nur durch solche aus der Vergangenheit zu erklären sind. Es gibt also Reaktionen, die sich noch nicht in der nächsten Vegetationsperiode auswirken, sondern erst in der übernächsten oder gar noch später. Am erstaunlichsten war jedoch die Entwicklung des radialen Stammwachstums. Die Jahreszuwächse in Holz und Rinde der nicht mehr bewässerten Bäume wurden nicht wie erwartet sofort kleiner, sondern blieben über vier Jahre deutlich breiter als vor dem Start der Bewässerung. Das Stammwachstum reagierte also nicht ausschliesslich auf die äußeren Bedingungen in Luft und Boden, sondern es profitierte von den Ressourcen und den Strukturen aus der längst beendeten Bewässerungsphase. Dabei konnte ausgeschlossen werden, dass aus der Bewässerungszeit im Boden verbliebenes Wasser eine Rolle spielte. Mit einem Rechenmodell versuchte man das unerwartete Stammwachstum zu erklären, wobei man die Legacy-Effekte mit der Lebenserwartung verschiedener Baumorgane und dem Kohlenstoffspeicher in Verbindung setzte: Ein wasserleitendes Element im Holz der Föhre bleibt etwa 50 Jahre aktiv, der Kohlenstoffspeicher wird etwa alle 10 Jahre umgesetzt und die Föhrennadeln leben etwa vier Jahre. Verkürzt kann man also sagen, dass Baumstrukturen, die bis vor 50 Jahren gebildet wurden, noch heute das Wachstum beeinflussen, weil sie Eigenschaften vergangener Jahre in die Gegenwart tragen. Die Lebensdauer der Nadeln, und damit die Umweltbedingungen der letzten vier Jahre zeigten den größten Einfluss auf das Stammwachstum, d. h., so lange brauchten die ehemals bewässerten Föhren auch, bis sie ihre vergrösserte Krone wieder auf das Niveau von vor der Bewässerung reduziert hatten. Diese Forschungsarbeit zeigt, dass sich die Intensität des Baumwachstums unter feuchteren Verhältnissen positiv auf mehrere darauffolgende Trockenjahre auswirken kann. Es gilt aber auch der Umkehrschluss, dass ein extremes Trockenjahr sich negativ auf mehrere darauffolgende Jahre auswirkt. Das Wachstum und viele andere physiologische Prozesse hängen folglich nicht nur von den aktuellen Wetterbedingungen ab, sondern werden von den physiologischen Prozessen der Jahre zuvor mit beeinflusst (Zweifel et al., 2020).

Der Standort einer Pflanze prägt sie für ihr zukünftiges Wachstum, d. h., die spezifischen Umwelterfahrungen schreiben sich in ihr epigenetisches Gedächtnis ein. Obwohl das Gedächtnis bei Pflanzen anders als beim Menschen funktioniert, haben auch diese ein Gedächtnis, denn so können etwa viele Pflanzen verlängerte Kälteperioden im Winter fühlen und sich daran erinnern. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Pflanze rechtzeitig im Frühling blüht. Dieses epigenetische Gedächtnis funktioniert, indem spezialisierte Proteine, die Histone, modifiziert werden, wobei diese Histone für die Verpackung und Indexierung der DNA in der Zelle wichtig sind. Das genetische Pflanzengedächtnis funktioniert also über Markierungen an der Verpackung der Gene, denn ist ein Verpackungs-Eiweißstoff an einer bestimmten Stelle mit Markierungen versehen, wird die Verpackung nicht geöffnet und das Gen darin nicht abgelesen. Borg et al. (2020) fanden heraus, dass die Keimzelle ein spezielles Histon ansammelt, sodass die Modifikation von hunderten Genen gelöscht wird. Nach dem Winter werden so etwa Gene, die das Blühen unterdrücken, damit eingewickelt, damit die Pflanze wächst. Wenn Pollen, also die männlichen Keimzellen, gebildet werden, wird diese genetische Erinnerung aber gelöscht. Das macht Sinn, da Pollen über lange Distanzen etwa von Bienen oder dem Wind transportiert werden, und durch diesen Mechanismus die Sprösslinge die Umgebung ihrer Väter vergessen, und stattdessen nur jene der Mütter im Gedächtnis haben, neben denen sie ja höchstwahrscheinlich gedeihen müssen. Für diesen Gedächtnisverlust sorgen drei Mechanismen: Erstens werden jene molekularen Maschinen (Enzyme) ruhig gestellt, die Markierungen an der Verpackung vornehmen, zweitens werden Maschinen aktiviert, die solche Markierungen abschneiden, und drittens wird der Verpackungseiweissstoff durch eine nicht-markierbare Version ausgetauscht.

Olas  et al. (2021) haben jüngst gezeigt, dass Pflanzen ein molekulares Gedächtnis haben, wobei dabei die Meristeme von besonderer Bedeutung sind, also jene teilungsfähigen Gewebe, in denen die pflanzlichen Stammzellen enthalten sind. Das Sprossscheitelmeristem ist hierbei entscheidend für das Wachstum der überirdischen Organe, sodass man nun untersucht hat, wie das Sprossscheitelmeristem auf Hitzestress reagiert. Viele äußere Einflussfaktoren bestimmen das Wachstum einer Pflanze: Licht, Nährstoff- und Wasserangebot, Temperatur, sowie die Verfügbarkeit von Kohlenstoffdioxid. Vor allem plötzlicher Umweltstress, wie Hitze, wirkt sich negativ auf die Pflanze und ihr Wachstum aus, denn sind pflanzliche Zellen in der Lage, nicht nur auf einen Stress zu reagieren, sondern sich an diesen auch zu erinnern, ist es ihnen möglich, besser auf einen zweiten, nachfolgenden Stress zu antworten und sogar einen sonst tödlichen Stress zu überleben. Ein Stressgedächtnis zu besitzen, ist eine überaus wichtige Anpassung an schwankende Umweltbedingungen, ein auf einen warmen Tag folgen sehr wahrscheinlich weitere warme oder sogar heiße Tage. Es zeigte sich, dass in der Regel die einzelnen Zellen in der Lage sind, auf einen akuten Stress zu reagieren, so kann zum Beispiel der Stoffwechsel verändert werden oder entsprechende Gene können an- oder abgeschaltet werden, wodurch es zur Bildung oder Reduktion entscheidender Proteine in der Zelle kommt. Das Sprossscheitelmeristem mit seinen Stammzellen generiert ein eigenständiges, starkes Hitzestressgedächtnis auf Transkriptionsebene, unabhängig von anderen benachbarten Zellen. Das Meristem selbst besitzt keine Chloroplasten, in denen die Photosynthese und somit die Zuckerproduktion stattfinden, sodass es auf die Zuckerzufuhr der umliegenden Blätter angewiesen ist. In den Untersuchungen wurde deutlich, dass die Zuckerverfügbarkeit ein wichtiger Faktor für das Temperaturgedächtnis des Meristems ist. Pflanzen konnten durch einen ersten milden Stress daher ein Erinnerungsvermögen aufbauen, sodass ein späterer starker Stress, der sogar zum Tode führen könnte, somit abgemildert wird. Vor allem ein Schutz des Meristems ist wichtig, damit die Pflanze im Nachhinein weiterwachsen und neue Blätter ausbilden kann, vor allem wenn abgestorbene Organe ersetzt werden müssen. Die Erneuerungsfähigkeit der Stammzellen macht dies möglich. Es wurde auch deutlich, dass aufgrund des Hitzegedächtnisses ein zweiter, stärkerer Stress das Pflanzenwachstum nur verzögert, aber nicht langfristig hemmt. Eine Wachstumshemmung während einer Hitzeperiode ist absolut sinnvoll und überlebensnotwendig, da dadurch auch die Blütenbildung während dieser Zeit verhindert und somit einem möglichen Ertragsverlust entgegengewirkt wird. Die Fähigkeit einer Pflanze, ein Gedächtnis zu bilden und sich somit an kommende Stressbedingungen anzupassen, ist auch für die Landwirtschaft von großem Interesse, um in Zukunft klimaresistentere Pflanzen züchten zu können.

Literatur

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Jiang, D. & Berger, F. (2017). DNA replication–coupled histone modification maintains Polycomb gene silencing in plants. Science, doi: 10.1126/science.aan4965.

Kugler, M. (2019). Von wegen tumbe Gewächse: Wissenschaftler ergründen immer mehr faszinierende Verhaltensweisen von Pflanzen. Die Presse vom 2. Februar 2019.

Langenbach, J. (2014). Wie weit denken Pflanzen voraus? Die Presse vom 14. Februar 2014.

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Shinichiro Aikawa, Masaki J. Kobayashi, Akiko Satake, Kentaro K. Shimizu, & Hiroshi Kudoh (2010). Robust control of the seasonal expression of the Arabidopsis FLC gene in a fluctuating environment. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA, doi/10.1073/pnas.0914293107.

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Xu, Bo, Long, Yu, Feng, Xueying, Zhu, Xujun, Sai, Na, Chirkova, Larissa, Betts, Annette, Herrmann, Johannes, Edwards, Everard J., Okamoto, Mamoru, Hedrich, Rainer & Gilliham, Matthew (2021). GABA signalling modulates stomatal opening to enhance plant water use efficiency and drought resilience, Nature Communications, 12, doi:10.1038/s41467-021-21694-3.

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