Subtile Strategien der Pflanzen gegen Krankheitserreger

Angeborene Immunabwehr bei Pflanzen und Tieren ähnlich

Alle höheren Lebensformen verwenden einen Großteil ihrer Energie für den Kampf gegen mikrobielle Krankheitserreger. Ebenso wie Tiere haben auch Pflanzen im Laufe der Evolution hocheffiziente Abwehrstrategien gegen ein breites Spektrum feindlicher Invasoren entwickelt. Man vermutet, dass diese pflanzliche Basisimmunität durch ähnliche molekulare Mechanismen vermittelt wird wie die angeborene Immunantwort bei Tieren und Insekten. Wissenschaftler des Institutes für Pflanzenbiochemie (IPB) in Halle haben erneut Ergebnisse vorgelegt (EMBO Journal 21, 6681-6688), die diesen Verdacht erhärten und zum besseren Verständnis pflanzlicher Abwehrstrategien beitragen.

„Das Immunsystem bei Wirbeltieren stützt sich auf zwei tragende Säulen: die adaptive und die angeborene Immunantwort“ erklärt Thorsten Nürnberger, Wissenschaftler am IPB in Halle. Während die adaptive Immunantwort immer eine bestimmte Art von Krankheitserregern bekämpft, richten sich angeborene Abwehrmechanismen, wie Fieber und Entzündungsreaktionen, gegen ein breites Spektrum aller möglichen Erreger und vor allem auch gegen Erstinvasoren. Auch Pflanzen versuchen – ähnlich wie Tiere – eindringende Pilze und Bakterien mit lokalen entzündungsähnlichen Reaktionen in Schach zu halten.

Gemeinsames Merkmal dieser angeborenen Abwehrreaktionen ist, dass der Wirt – also Pflanze, Tier oder Mensch – ganz bestimmte Oberflächenstrukturen des Erregers erkennt und als „fremd“ einstuft. Diese Erkennungsmoleküle kommen im Wirt selbst nicht vor; im Reich der Krankmacher hingegen sind sie weit verbreitet. Als generelle Merkmale sind sie für die Erreger derart überlebenswichtig, dass sie sich im Laufe der vergangenen Jahrmillionen kaum in ihrer Struktur verändert haben. Das heißt: Die Invasoren können diese Strukturen nicht ohne ernsthafte Konsequenzen durch Mutation umwandeln. Sie sind in diesem Fall nicht in der Lage das Immunschild des Wirtes zu überlisten, indem sie sich eine neue Maske zulegen.

Ein solches hochkonserviertes molekulares Muster haben die Wissenschaftler des IPB jetzt auch bei pflanzlichen Krankheitserregern der Pilzgattung Phytophthora entdeckt. Dabei handelt es sich um ein winziges Peptid (Pep13), das aus nur 13 Bausteinen (Aminosäuren) besteht. „Pep13 erfüllt alle Anforderungen, die man für derartige Erkennungsmuster postuliert hat“, sagt Nürnberger. Als Bestandteil eines für diesen Pilz spezifischen Enzyms befindet es sich auf der Oberfläche der Keimschläuche. Bei allen zehn der untersuchten Phytophthora-Arten war Pep13 aus den gleichen Aminosäuren aufgebaut. „Es handelt sich hier also um eine Region, die sich über die Artengrenze hinweg ohne Veränderungen erhalten hat“, erklärt der promovierte Biochemiker. Für die Pflanze das ideale Erkennungsmuster eines unerwünschten Mitbewohners.

Die Signalerkennung „Achtung Feind“ erfolgt von Rezeptoren, die in der pflanzlichen Zellmembran sitzen. Nachdem die Keimschläuche des Pilzes in die Zellzwischenräume eingedrungen sind, kommen die Pep13-Oberflächenpeptide mit diesen Rezeptoren in Kontakt, die daraufhin das Signal ins Innere der Pflanzenzellen leiten. Hier wird über komplizierte Reaktionsketten eine ganze Batterie von Abwehrreaktionen, wie z. B die Produktion von antimikrobiellen Stoffen und hochreaktiven Sauerstoffverbindungen, angeschaltet. Dass Pep13 auch ohne den Pilz in der Lage ist, diese Schutzmechanismen zu induzieren, konnte von den Hallenser Wissenschaftlern eindrucksvoll nachgewiesen werden. Eine Injektion von Pep13 in die Blätter von Petersilie und Kartoffel löste in beiden Pflanzen Abwehrreaktionen aus.

Hintergrund:

Phytophthora ist ein Pilz, der schon Mitte des 19. Jahrhunderts in Irland Geschichte machte. Dort nämlich vernichtete die Art Phytphthora infestans über mehrere Jahre hinweg fast die gesamte Kartoffelernte; mit der Konsequenz, dass etwa eine Millionen Iren verhungerten und weitere zwei Millionen nach Amerika auswanderten, unter ihnen die Vorfahren von John F. Kennedy. Noch heute sorgt Phytophthora für weltweite Ernteeinbußen von etwa 20 Prozent.

Phytophthora verbreitet sich über Sporen, die mit Hilfe eines Keimschlauches in das Blattgewebe der Pflanzen eindringen. Werden die Sporen bei Regen in den Boden gespült, befallen sie auch die Knollen, deren Fleisch sich blau-grau verfärbt und ungenießbar wird. Phytophthora kann in den Knollen überwintern; eine einzige infizierte Knolle, die im Frühjahr ausgebracht wird, kann den gesamten Kartoffelbestand vernichten.

Erste Anzeichen des Phytophthora-Befalls zeigen sich an bräunlichen Flecken der Blätter. Im Laufe der Infektion verfaulen oder vertrocknen die Blätter und fallen schließlich ab. Damit soll verhindert werden, dass der Pilz die gesamte Pflanze befällt. Wie viele Krankheitserreger ist jedoch auch Phytophthora in der Lage die Resistenzmechanismen der befallenen Pflanzen zu umgehen oder auszuschalten. Damit zwingen sie den Wirt zu immer neueren Abwehrreaktionen.

Ansprechpartner:

Dr. Thorsten Nürnberger
Leiter der Arbeitsgruppe Signalerkennung
in Pflanze-Pathogen-Interaktion
Tel: 0345 – 5582-1410
E-mail: tnuernbe@ipb-halle.de

Professor Dierk Scheel
Geschäftsführender Direktor des IPB
Leiter der Abteilung Stress- und Entwicklungsbiologie
Tel: 0345 55 82 1100
E-mail: dscheel@ipb-halle.de