Dandelions are survival experts

Dandelions (Taraxacum officinale agg.) are well-known plants of European and Asian origin that have spread around most of the temperate world. Children love their yellow flowers and even more the fluffy seed heads with their parachute-like seeds that can travel long distances by wind. Young plants grow with such force that they can penetrate even asphalt. Therefore dandelions have become a symbol for survival in modern cities.

In fields and meadows, the plant must fend off many herbivores, among them cockchafer larvae. The common cockchafer (Melolontha melolontha) spends the first three years of its life cycle underground as a grub feeding on the roots of different plants. One of its favorite foods is dandelion roots. Like many other plants, dandelions produce secondary metabolites to protect themselves against herbivores. Some of these defenses, such as terpenes and phenols, are of pharmaceutical interest and are considered promising anti-cancer agents. The most important dandelion metabolites are bitter substances which are especially found in a milky sap called latex, a substance found in almost ten percent of all flowering plants.

Why dandelion latex is bitter

Scientists from the Department of Biochemistry and their colleagues from the University of Bern have now taken a closer look at dandelion latex. The scientists found the highest concentrations of the bitter latex in the roots of dandelions. Dandelions need to protect their roots very fiercely because these are the main storage organs for nutrients which fuel growth early in the spring.

One single defensive chemical protects the plant

The scientists tested first whether latex compounds produced by dandelion roots were negatively associated with the development of cockchafer larvae. They also wanted to know whether these compounds had a positive effect on the fitness and reproductive success of dandelions under Melolontha melolontha attack. An analysis of the components of dandelion latex revealed that one single substance negatively influenced the growth of cockchafer larvae.  This substance was identified as the sesquiterpene lactone, taraxinic acid β-D-glucopyranosyl ester (TA-G). When the purified substance was added to an artificial larval diet in ecologically relevant amounts, the grubs fed considerably less.

The combination of approaches as a key to success

“It was clearly the combination of techniques that was crucial for the success of our studies,” explains Matthias Erb from the University of Bern who led the study. “Each approach has its weaknesses that were balanced by the strengths of the others. We think that this type of interdisciplinary research can be very powerful to understand biological systems.”

The scientists are now planning further experiments study the co-evolution of dandelions and their root herbivores in order of find out whether the presence of root-feeding insects has shaped the plant defensive chemistry in the course of evolution and whether the insects show adaptations to dandelion defenses. [AO]

Original Publication:
Huber, M., Epping, J., Schulze Gronover, C., Fricke, J., Aziz, Z., Brillatz, T., Swyers, M., Köllner, T. G., Vogel, H., Hammerbacher, A., Triebwasser-Freese, D., Robert, C. A. M., Verhoeven, K., Preite, V. Gershenzon, J., Erb, M. (2016). A latex metabolite benefits plant fitness under root herbivore attack. PLOS Biology, DOI: 10.1371/journal.pbio.1002332. Open Access
http://dx.doi.org/10.1371/journal.pbio.1002332  

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Löwenzahn schützt sich mit Latex vor Maikäfer-Larven

Der Löwenzahn gilt vielen als ein lästiges Unkraut. Neben Hobby-Gärtnern hat die Pflanze auch in der Natur viele Feinde. Vor diesen schützt sie sich mit einem latexhaltigen Saft. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena und der Universität Bern konnten jetzt nachweisen, dass eine einzige Substanz aus dem bitteren Latexsaft die Wurzeln des Löwenzahns gegen gefräßige Maikäferlarven wirksam schützt. Latex ist demnach für die pflanzliche Verteidigung gegen Bodenschädlinge entscheidend. (PLOS Biology, Januar 2016, Open Access)

Der Löwenzahn ist ein Überlebenskünstler

Der Löwenzahn (Taraxacum officinale agg.) ist eine der bekanntesten Pflanzen. Sie kommt ursprünglich aus Europa und Asien und hat sich fast in der gesamten nördlichen Hemisphäre verbreitet. Kinder lieben die gelben Blüten und noch mehr die sogenannten „Pusteblumen“ mit den kleinen Fallschirmen gleichen Samen, die vom Wind über große Entfernungen getragen werden. Aus den Samen wachsen Pflanzen mit einer Kraft, die sogar Asphalt überwinden kann. Sie sind damit zu einem Symbol für das Überleben in der modernen Großstadt geworden.

Auf dem Feld und in der Wiese muss sich die Pflanze jedoch gegen viele Fraßfeinde zur Wehr setzen. Zu diesen Feinden zählen auch Maikäferlarven. Der Maikäfer (Melolontha melolontha) verbringt seine ersten drei Lebensjahre unter der Erde, wo er sich als Larve oder Engerling von den Wurzeln verschiedener Pflanzen ernährt. Seine Lieblingsspeise sind die Wurzeln des Löwenzahns. Wie viele andere Pflanzen produziert der Löwenzahn sekundäre Abwehrstoffe, die ihn vor Insektenfraß schützen sollen. Einige dieser Abwehrstoffe, zu denen insbesondere Terpene und Phenole gehören, sind auch pharmazeutisch interessant und gelten auch als vielversprechende Wirkstoffe gegen Krebs. Die wichtigsten dieser Metaboliten sind Bitterstoffe, die vor allem in dem milchigen Saft zu finden sind, der Latex genannt wird und der in fast zehn Prozent aller Blütenpflanzen vorkommt.

Warum Löwenzahn-Latex bitter ist

Diesen Löwenzahn-Latex haben jetzt Forscher der Abteilung Biochemie zusammen mit ihren Kollegen von der Universität in Bern genauer unter die Lupe genommen. Die Wissenschaftler fanden die höchsten Konzentrationen des bitteren Latex in den Wurzeln der Löwenzahnpflanzen. Die Wurzeln sind für die Pflanze als Hauptspeicherorgan für Nährstoffe besonders wichtig und schützenswert, weil sie schon früh im Jahr die Blütenbildung ermöglichen.

Eine einzige chemische Verbindung schützt die Pflanze

Die Wissenschaftler testeten zunächst, ob sich die Latexverbindungen des Löwenzahns negativ auf die Entwicklung der Maikäfer-Larven auswirken und umgekehrt den Gesundheitszustand und die Vermehrung der Pflanze unter Engerlingsbefall verbessern. Eine Analyse der Einzelkomponenten des Löwenzahnlatex ergab, dass eine einzelne Substanz das Larvenwachstum negativ beeinflusst. Es handelte sich dabei um das Sesquiterpenlacton Taraxinsäure-Beta-D-Glycopyranosyl-Ester (TA-G). Wurde die gereinigte Substanz in ökologisch relevanten Mengen einer künstlichen Larvennahrung beigemengt, fraßen die Engerlinge weniger.

Den Forschern gelang es, das Enzym zu identifizieren, das den ersten Schritt zur TA-G-Biosynthese katalysiert. Wurzeln von genetisch veränderten Pflanzen ohne das Enzym und damit auch ohne den Abwehrstoff wurden deutlich häufiger von Larven gefressen. Die chemische Zusammensetzung des Latex variiert zwischen verschiedenen natürlichen Löwenzahn-Linien Ein gewöhnliches Gartenexperiment mit Löwenzahn-Pflanzen unterschiedlicher Linien machte deutlich, dass Pflanzen, die viel TA-G produzierten, im Vergleich zu anderen Pflanzen gesünder sind und sich stärker vermehren, wenn sie von wurzelfressenden Engerlingen attackiert werden „Dass eine einzige chemische Verbindung ausreicht, um die Pflanze gegen den Engerling zu schützen, ist eine Überraschung“, sagt Jonathan Gershenzon, der Leiter der Abteilung Biochemie am Max-Planck-Institut in Jena. „Der Latex von Löwenzahn und anderen Pflanzen enthält so viele unterschiedliche Substanzen, dass es uns eher unwahrscheinlich erschien, dass eine davon allein eine so herausragende Rolle bei der Insektenabwehr spielen kann.“

Die Kombination der Methoden als Schlüssel zum Erfolg

„Entscheidend für den Erfolg der Untersuchungen war die Kombination verschiedener Forschungsansätze“, meint Matthias Erb von der Universität Bern, der die Studie geleitet hat. „Jeder dieser Ansätze hat seine Schwächen, die durch die Stärken der anderen ausgeglichen wurden. Unsere interdisziplinäre Herangehensweise hat sich als sehr wirkungsvoll im Hinblick auf das Verständnis biologischer Systeme erwiesen.“

In weiteren Experimenten wollen sich die Forscher der Co-Evolution von Löwenzahn-Pflanzen und ihren Wurzelschädlingen widmen und herausfinden, ob die Anwesenheit solcher Fraßfeinde die Pflanzenchemie im Laufe der Evolution verändert hat und ob sich wurzelfressende Insekten an die bitteren Latexverbindungen angepasst haben. [AO]

Originalveröffentlichung:
Huber, M., Epping, J., Schulze Gronover, C., Fricke, J., Aziz, Z., Brillatz, T., Swyers, M., Köllner, T. G., Vogel, H., Hammerbacher, A., Triebwasser-Freese, D., Robert, C. A. M., Verhoeven, K., Preite, V. Gershenzon, J., Erb, M. (2016). A latex metabolite benefits plant fitness under root herbivore attack. PLOS Biology, DOI: 10.1371/journal.pbio.1002332. Open Access
http://dx.doi.org/10.1371/journal.pbio.1002332

Weitere Informationen:
Meret Huber, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Str. 8, 07743 Jena, +49 3641 57-1329, mhuber@ice.mpg.de
Matthias Erb, Universität Bern, Institut für Pflanzenwissenschaften, Altenbergrain 21, CH-3013 Bern, Schweiz, +41 31 631 8668, matthias.erb@ips.unibe.ch
Jonathan Gershenzon, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Str. 8, 07743 Jena, +49 3641 57-1301, gershenzon@ice.mpg.de