Dem Geheimnis kranker Pflanzen auf der Spur
Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Pflanzenbiochemie forschen seit 20 Jahren an Phytophthora infestans, dem Erreger der Kraut- und Knollenfäule bei Kartoffeln. Dabei fragen sie sich nicht nur, warum Phytophthora seine Wirtspflanze, die Kartoffel, krank macht, sondern auch, warum der Erreger die meisten anderen Pflanzen nicht erfolgreich besiedeln und krank machen kann. Diese sogenannte Nichtwirts-Resistenz erforschen die Hallenser Wissenschaftler an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Jüngst haben sie aus Arabidopsis zwei neue Substanzen isoliert, die bei der Abwehr von Phytophthora eine wichtige Rolle spielen. Der Befund wurde in Journal of Biological Chemistry veröffentlicht.
Die Kraut- und Knollenfäule der Kartoffel ist eine der bedeutendsten Pflanzenkrankheiten unserer Zeit. Ihr Erreger, Phytophthora infestans, hat bereits Mitte des 19. Jahrhunderts für große Hungersnöte in Europa gesorgt und verursacht noch heute weltweite Ernteausfälle von etwa 20 Prozent im Jahr. Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Pflanzenbiochemie (IPB) in Halle erforschen die Kraut- und Knollenfäule seit mehr als zwei Dekaden. Um die Mechanismen der Krankheitsentstehung besser zu verstehen, fragen sie sich nicht nur, warum der Erreger seine Wirtspflanze, die Kartoffel, krank macht, sondern auch, warum er die meisten anderen Pflanzen nicht erfolgreich besiedeln und krank machen kann. Diese sogenannte Nichtwirtsresistenz gegen den Befall von P. infestans wird an der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana untersucht. Aus der Modellpflanze konnten die Hallenser Forscher um Professor Sabine Rosahl zwei neue Substanzen isolieren, die eine wichtige Rolle bei der Abwehr von Phytophthora spielen. Eine der neu entdeckten Indol-Verbindungen wirkt dabei nicht direkt auf den Erreger, sondern sorgt vermutlich als Signalstoff für die Verstärkung der pflanzlichen Abwehrreaktion. Der Befund wurde in der Fachzeitschrift Journal of Biological Chemistry veröffentlicht.
Pflanzen sind wie alle Lebewesen permanent von potentiellen Krankheitserregern umgeben. Dennoch werden sie selten krank. Denn ähnlich wie Tiere verfügen auch Pflanzen über eine Art Basis-Immunität, die ihre Besiedlung durch mikrobielle Keime erfolgreich verhindert. Durch vielfache Abwehrreaktionen gelingt es den meisten Pflanzen, nicht zur Wirtspflanze der Erreger zu werden, sondern vielmehr Nichtwirt zu bleiben und mit ihrer Nichtwirtsresistenz ein breites Spektrum an Invasoren in Schach zu halten.
Erste Voraussetzung für die Nichtwirtsresistenz ist die Erkennung des Feindes. Dies geschieht durch Rezeptoren in der pflanzlichen Zellmembran, die darauf spezialisiert sind, mikrobielle Oberflächenstrukturen wie das pilzliche Chitin oder das bakterielle Flagellin an sich zu binden. Durch die Bindung der Mikroben-Moleküle aktiviert sich der Rezeptor; er kann nun das Signal Achtung Feind ins Innere der Zelle weiterleiten, wo es über komplexe Signalkaskaden bis in den Zellkern übertragen wird. Hier erfolgt die Aktivierung von verschiedenen Abwehrgenen, die daraufhin die Herstellung von Biosynthese-Enzymen initiieren. Diese Enzyme produzieren eine Vielzahl an antimikrobiellen Substanzen, die entweder den Erreger abtöten oder durch lokale Zellwandverstärkung verhindern, dass weitere Keime in die Zellen eindringen können.
Welche Gene, welche Proteine und Enzyme an der Nichtwirtsresistenz der Ackerschmalwand beteiligt sind, wird von den Hallenser Wissenschaftlern intensiv untersucht. In der Gruppe von Professor Rosahl interessiert man sich darüber hinaus besonders für die verschiedenen Abwehrsubstanzen, die Arabidopsis produziert, um Erreger wie Phytophthora zu bekämpfen. Um das herauszufinden, brachte man auf die Blätter von Arabidopsispflanzen kleine Tröpfchen einer Phytophthora-Sporenlösung auf. Parallel dazu applizierte man im Kontroll-Experiment Wassertröpfchen auf die Blätter von weiteren Arabidopsispflanzen. Nach 24 Stunden wurden die Tröpfchen und auch das sie umgebende Blattgewebe einer Bestandsaufnahme aller vorhandenen Stoffwechselprodukte unterzogen. Das Ergebnis dieses Metaboliten-Profilings zeigte klar: Die mit Phytophthora infizierten Pflanzen wiesen einen stark aktivierten Stoffwechsel auf. Sowohl in den Tröpfchen als auch im umgebenden Blattgewebe fand man eine Vielzahl von Substanzen, die in den Kontrollpflanzen nicht nachweisbar waren.
Neben bereits bekannten, oftmals antimikrobiell wirkenden Substanzen, fand man zwei bisher unbekannte Verbindungen: das 4-Methoxyindol-3-methanol und das 4-Methoxyindol-3-methylcystein. Interessanterweise wiesen die beiden Indol-Verbindungen keine antimikrobiellen Eigenschaften auf; das Wachstum der Phytophthora-Hyphen wurde durch sie nicht gehemmt. Eine der beiden Verbindungen, das 4-Methoxyindol-3-methanol, löste jedoch eine schwache, aber hoch signifikante Erhöhung der Calcium-Ionen in den Phytophthora-infizierten Arabidopsiszellen aus. „Der intrazelluläre Anstieg von Calcium-Ionen ist ein frühes Signal der Abwehr“, erklärt Sabine Rosahl. „Er begünstigt die Interaktion der Signalproteine und kommt im Abwehrszenario einem allgemeinen Alarmzustand gleich.“ Auch die Erreger-induzierte Zellwandverstärkung wurde durch 4-Methoxyindol-3-methanol gesteigert. „Wir vermuten daher“, sagt Professor Rosahl, „dass diese neu entdeckte Verbindung eher eine Substanz ist, die die natürliche Immunantwort der Nichtwirtsresistenz moduliert und verstärkt“. Wie genau das passiert, bleibt in Zukunft zu klären.
Nach den erzielten Befunden innerhalb und außerhalb der befallenen Pflanzenzellen erfordert eine erfolgreiche Abwehrreaktion nicht nur funktionstüchtige Biosynthese-Enzyme, sondern auch Transportproteine, die die produzierten Abwehrstoffe aktiv aus der Pflanzenzelle hinaus an den Ort der Verwundung befördern. Ein solches mutmaß- liches Transportprotein (PEN3) wurde vor einigen Jahren in Arabidopsis gefunden. Bisher konnte man zu diesem Protein jedoch noch keine Abwehr-relevante Substanz identifizieren, die von ihm tatsächlich aus der Zelle transportiert wird. In der aktuellen Studie ist dies nun gelungen. In Kooperation mit Wissenschaftlern aus der Schweiz konnte gezeigt werden, dass die neu entdeckten Indol-Verbindungen vom PEN3-Transporter aus den Zellen heraus auf die Blattoberflächen befördert werden.
Der Erkenntnisgewinn aus der Modellpflanze beeinflusst am IPB immer wieder auch das Wissen um die Krankheit in der Kulturpflanze. Auch die Kartoffel produziert nach Befall mit Phytophthora antimikrobielle Substanzen, die normalerweise aktiv auf die Blattoberfläche transportiert werden sollten. Der Transport von einigen keimabtötenden Stoffen scheint aber bei der Kartoffel gestört zu sein. Das konnten die Hallenser Pflanzenforscher vor einigen Jahren zumindest für eine konkrete Substanz, das Coumaroylagmatin, nachweisen. Die Hydroxyzimtsäureverbindung reicherte sich nach Infektion mit dem Erreger nur innerhalb der Kartoffelblätter, nicht aber auf deren Außenseite an. Durch das Einbringen eines intakten Transportproteins gelang es dem Team um Sabine Rosahl, die Immunreaktion der Kartoffelpflanzen auf Phytophthora stark zu erhöhen. Dennoch konnte die Ausprägung der Kraut- und Knollenfäule damit nicht vollständig eingedämmt werden. Es muss also weitere Schwachstellen im Immunsystem der Kartoffel geben.
Wie es Phytophthora im Laufe der Evolution gelang, die Kartoffel zu seiner Wirtspflanze zu machen, bleibt eine spannende Frage auf diesem Gebiet. Mit ihrer erfolgreichen Kombination von Grundlagen- und anwendungsorientierter Forschung an Modell- und Kulturpflanzen werden die Hallenser Wissenschaftler auch künftig zu ihrer Beantwortung beitragen.
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Hintergrundinformation zu Phytophthora infestans:
Phytophthora infestans, der Erreger der Kraut- und Knollenfäule bei Kartoffeln, gehört zur Klasse der Oomyceten, deren Vertreter eine Übergangsform zwischen Pilzen und Braunalgen darstellen. Der Erreger verbreitet sich über Sporen, die in das Blatt- gewebe eindringen und von dort aus die gesamte Pflanze besiedeln. Werden die Sporen bei Regen in den Boden gespült, befallen sie auch die Knollen, die sich braun verfärben und ungenießbar werden. Die Krankheit überträgt sich schnell und kann in wenigen Tagen ganze Felder infizieren. Bisher bekämpft man Phytophthora mäßig erfolgreich mit Fungiziden. Da der Erreger sehr mutationsfreudig ist, entwickelt er jedoch schnell Resistenzen gegen die eingesetzten Pflanzenschutzmittel.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Professor Sabine Rosahl
Tel: 0345 5582 1440
E-Mail: sabine.rosahl@ipb-halle.de
Originalpublikation:
Andreas Matern, Christoph Böttcher, Lennart Eschen-Lippold, Bernhard Westermann, Ulrike Smolka, Stefanie Döll, Fabian Trempel, Bibek Aryal, Dierk Scheel, Markus Geisler & Sabine Rosahl. A substrate of the ABC transporter PEN3 stimulates bacterial flagellin (flg22)-induced callose deposition in Arabidopsis thaliana. Journal of Biological Chemistry (2019) 294, 6857-6870.
Weitere Informationen:
https://www.ipb-halle.de/oeffentlichkeit/aktuelles/artikel-detail/dem-geheimnis-kranker-pflanzen-auf-der-spur/
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