Neuste Einblicke in die Abwehrmechanismen von Pflanzen

Gundula A. Noll

        
»Je besser wir verstehen, wie Pflanzen ihre natürliche Abwehr aktivieren, desto gezielter können wir sie dabei unterstützen. Das hat viele Vorteile: Wir können Chemikalien reduzieren, die Umwelt schützen und robuste Sorten züchten, die sich gegen neue Erreger wappnen – besonders im Klimawandel.«

Eine interdisziplinäre Studie unter Federführung von Dr. Alexandra Furch von der Universität Jena, in Zusammenarbeit mit apl. Prof. Gundula Noll und Prof. Dirk Prüfer am Fraunhofer IME in Münster und weiteren Experten untersuchte, wie Pflanzen die Wahrnehmung von Krankheitserregern in elektrische Signale umwandeln und dadurch lokale sowie systemische Abwehrreaktionen auslösen. Die Ergebnisse deuten überraschenderweise darauf hin, dass strukturelle Phloemproteine, die bisher vor allem mit dem Verschluss der Siebplatten nach Verletzungen in Verbindung gebracht wurden, möglicherweise auch an der Signalübertragung beteiligt sind.

Das Forschungsteam analysierte Blätter von Arabidopsis thaliana (Brassicaceae) und Vicia faba (Fabaceae) und beobachtete, dass die Dichte des Pathogenrezeptors (Flagellin-sensitiv 2, FLS2) in der Epidermis und im Gefäßparenchym besonders hoch ist. Im Mesophyll ist sie niedrig und in den Siebelementen existieren praktisch keine FLS2-Rezeptoren.
Werden bakterielle flg22-Peptide, von der Pflanze erkannt, führt dies kurz darauf zur Entstehung doppelter zytosolischer Ca²⁺-Spitzen. Diese korrelierten mit Spannungsverschiebungen, die sich von der Epidermis bis zu den Siebelementen erstreckten. Diese elektrischen Signale äußern sich als schnelle Aktionspotentiale mit hoher Reichweite oder als langsamere Variationspotentiale mit geringer Reichweite. Die erhöhte Ca²⁺- Einströmungskapazität in Verbindung mit den langsameren Variationspotentialen führt zu einem vorübergehenden Siebelement-Verschluss (sieve element occlusion, SEO) in der räumlichen Nähe des flg22-Rezeptors.

In A. thaliana wirken die beiden SEO-Proteine AtSEOR1 und AtSEOR2 beim Siebelement-Verschluss als Tandem. Zur weiteren Analyse ihrer Rolle in der Abwehr phytopathogener Bakterien erzeugten die Forschenden die Doppel-Knockout-Linie Atseor1/2. Wildtyp Pflanzen (SEO fähig) und Atseor1/2-Doppel-Knockout-Pflanzen (nicht SEO fähig) wurden lokal mit dem Bakterium Pseudomonas syringae, das häufig landwirtschaftliche Pflanzenkrankheiten verursacht, beimpft. Nach drei Tagen beobachteten die Forschenden eine signifikant erhöhte Anfälligkeit bei den Mutanten im Vergleich zu den Wildtyp Pflanzen. Dies Ergebnis unterstreicht die Bedeutung des Siebelement-Verschlusses für die pflanzliche Pathogenabwehr.

Insgesamt liefern die Ergebnisse nicht nur neue Einblicke in die Mechanismen der pflanzlichen Signalübertragung und Abwehr. Sie eröffnen auch Perspektiven für die Weiterentwicklung krankheitsresistenter Nutzpflanzen durch die gezielte Beeinflussung entsprechender Signal- und Transportprozesse.