Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME
P-Proteine: Das natürliche Schutzsystem für das Leitgewebe der Pflanzen
Phloem: Das zentrale Leitungssystem für Nährstoffe und Signale
Das Phloem erfüllt weit mehr als nur Transportfunktionen: Die lebenden, röhrenförmigen Siebelemente ermöglichen die Verteilung von Zuckern und Nährstoffen sowie die systemische Weiterleitung von Informationen, etwa über Stresszustände, mechanische Verletzungen oder pathogeninduzierte Abwehrreaktionen. Das empfindliche Phloem-Leitsystem ist allerdings verletzungs- und pathogenanfällig: Insektenstiche, Umweltstress oder mechanische Einflüsse führen nicht nur zum Verlust von wertvollem Phloemsaftn, sondern ermöglichen auch das Eindringen von Krankheitserregern wie Bakterien, Viren und Pilzen. Diese können sich ungehindert über das Phloem ausbreiten und so die Gesundheit sowie den Ertrag der Pflanzen nachhaltig gefährden, mit deutlichen Konsequenzen für Landwirtschaft und Lebensmittelproduktion.
Schutzmechanismus der P-Proteine
Zum Schutz vor solchen Angriffen verfügen Pflanzen über spezialisierte Proteinstrukturen, die sogenannten P-Proteine (strukturelle Phloem-Proteine). Im unversehrten Zustand bilden sie ein weit verzweigtes Netzwerk entlang der Membranen der Siebelemente. Bei Verletzungen reagieren sie schnell: Das Netzwerk löst sich auf und die P-Proteine -vom Phloemstrom mobilisiert- lagern sich gezielt an den Siebplatten ab. Dort wirken sie wie ein natürlicher Pfropfen, verschließen die verletzte Stelle und verhindern so den Austritt von Phloemsaft sowie das Eindringen von Pathogenen. Doch der Schutzmechanismus der P-Proteine geht vermutlich über die reine physikalische Abdichtung hinaus: Studien deuten darauf hin, dass P-Proteine in die Langstreckensignalübertragung des Phloems eingebunden sind und eine Rolle bei der pflanzenweiten Koordination von Immunantworten spielen. So beeinflussen sie möglicherweise die Weiterleitung von Signalen wie Calciumionen, reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) und Peptiden, die als frühe Stress- und Abwehrsignale dienen. Diese können in entfernten Pflanzenteilen die Expression von Abwehrgenen aktivieren und bereiten die Pflanze auf potenzielle Gefahren vor- ein effektives Frühwarnsystem gegenüber Pathogenen.
Forschung und Anwendung
Wir arbeiten intensiv daran, die molekularen Mechanismen hinter der Funktion der P-Proteine im Phloem zu entschlüsseln. Mit modernsten Methoden der Lebendzell-Fluoreszenzmikroskopie beobachten wir in Echtzeit, wie P-Proteine auf Phloemverletzungen reagieren und in welche komplexen Signalwege sie eingebunden sind. Mithilfe sensorbasierter Systeme verfolgen wir zudem dynamische Veränderungen der für die Stresssignalweiterleitung entscheidenden Calcium- und ROS-Spiegel.
Mithilfe genetischer Werkzeuge wie CRISPR/Cas9 analysieren wir gezielt die Rolle von P-Proteinen bei der pathogeninduzierten Stressantwort. Besonders bei wichtigen Nutzpflanzen wie Kartoffel und Tabak zeigten wir, dass eine verbesserte Regulation von P-Proteinen mit einer erhöhten Resistenz gegen Schädlinge korreliert. Diese Erkenntnisse eröffnen industrielle Anwendungsmöglichkeiten, zur Entwicklung robuster Kulturpflanzen, die widerstandsfähiger gegenüber biotischem Stress sind.
Der gezielte Einsatz und die Optimierung pflanzlicher Schutzmechanismen wie der P-Proteine leisten einen wertvollen Beitrag für eine nachhaltige Landwirtschaft. Sie tragen dazu bei, den Einsatz chemischer Pflanzenschutzmittel zu reduzieren, die Erträge zu sichern und die Anpassungsfähigkeit von Pflanzen an den Klimawandel zu stärken.