Ausgeklügeltes Alarmsystem bei Salat gegen Mikroben aufgedeckt
Eine Salatpflanze mag wehrlos aussehen, doch jedes Blatt ist Schauplatz eines ständigen Kampfes. Pilze, Bakterien und andere Krankheitserreger, darunter auch der Falsche Mehltau, suchen ständig nach Möglichkeiten, in die Pflanze einzudringen und schließlich Krankheiten auszulösen.
Gleichzeitig versucht die Pflanze, diese zu erkennen, bevor es zu spät ist. Biologen der Universität Utrecht haben nun aufgedeckt, wie der Salat genau das bewerkstelligt. Die Entdeckung wirft den Forschern zufolge ein neues Licht auf das bemerkenswerte Immunsystem von Pflanzen und könnte letztendlich zur Entwicklung widerstandsfähigerer, robusterer Nutzpflanzen beitragen.
Eine Salatpflanze kann vor Gefahren nicht davonlaufen. Sie kann sich nicht vor krankheitserregenden Mikroben verstecken oder schädliche Insekten vertreiben. Dennoch haben Pflanzen seit Hunderten von Millionen von Jahren in einer Welt voller Feinde überlebt. Wie? „Das ist eine der faszinierendsten Fragen der Pflanzenbiologie“, sagt Guido Van den Ackerveken, Professor für translationale Pflanzenbiologie an der Universität Utrecht. „Pflanzen mögen passiv wirken, aber in Wirklichkeit beobachten sie ständig ihre Umgebung.“
Die aktuelle Studie wurde von dem Doktoranden Iñigo Bañales gemeinsam mit Guido Van den Ackerveken und Dmitry Lapin geleitet. Die Entdeckung liefere nicht nur grundlegende neue Erkenntnisse über die Evolution der pflanzlichen Immunität, sondern könnte langfristig auch dazu beitragen, Nutzpflanzen zu entwickeln, die von Natur aus widerstandsfähiger gegen Krankheiten sind.
Ein Rauchmelder für Krankheitserreger
Genau wie Menschen verfügen auch Pflanzen über ein angeborenes Immunsystem, das eindringende Organismen erkennen kann. Die Oberfläche jeder Pflanzenzelle ist mit Tausenden von Rezeptoren bedeckt: molekulare Sensoren, die ständig nach molekularen Mustern von Bakterien, Pilzen, Oomyceten (wie z.B. Falschem Mehltau) und anderen Krankheitserregern suchen.
„Man kann sich einen solchen Rezeptor wie einen Rauchmelder vorstellen“, sagt Van den Ackerveken. „Er erkennt nicht das Feuer selbst, sondern ein Signal, dass etwas nicht stimmt. Sobald der Rezeptor ausgelöst wird, schaltet sich das Immunsystem der Pflanze ein.“ Die Forscher aus Utrecht wollten verstehen, wie dieses Alarmsystem bei Salat funktioniert.
Untersuchung von 200 Salatsorten
Für ihre Untersuchung nutzten sie eine Sammlung von fast 200 verschiedenen Salatsorten. Bañales und seine Kollegen testeten, wie jede einzelne auf das Peptid nlp24 reagierte – ein winziges Proteinfragment, das viele Krankheitserreger bei ihrem Angriff auf Pflanzen produzieren. Einige Sorten aktivierten sofort ihr Abwehrsystem, während andere keine Reaktion zeigten.
Dieser Unterschied erwies sich als entscheidender Hinweis. Durch den Vergleich der DNA der verschiedenen Salatsorten identifizierten die Forscher ein einzelnes Gen, das für die Erkennung von nlp2 verantwortlich ist. Das Gen kodiert für einen Rezeptor auf der Oberfläche von Pflanzenzellen, den sie LNR (Lettuce nlp24 Receptor) nannten.
Um ihre Entdeckung zu bestätigen, führten die Forscher das Gen in eine Salatpflanze ein, der dieser Rezeptor von Natur aus fehlte. Das Ergebnis entsprach genau ihren Erwartungen: Die Pflanze war nun in der Lage, das Signal des Erregers zu erkennen. „Das war der entscheidende Beweis dafür, dass wir den richtigen Rezeptor gefunden hatten“, sagt Van den Ackerveken.
Evolution hat dieselbe Lösung zweimal erfunden
Die nächste Entdeckung war vielleicht sogar noch überraschender. Biologen wussten bereits, dass die viel untersuchte Pflanze Arabidopsis thaliana dasselbe Pathogensignal erkennen kann. Das Team aus Utrecht entdeckte jedoch, dass Kopfsalat einen völlig anderen Rezeptortyp nutzt, um dasselbe Ergebnis zu erzielen. Mit anderen Worten: Zwei entfernt verwandte Pflanzenarten (deren letzter gemeinsamer Vorfahr vor mehr als 100 Mio Jahren lebte) entwickelten unabhängig voneinander unterschiedliche Lösungen für dieselbe biologische Herausforderung.
„In gewisser Weise hat die Evolution zweimal eine ähnliche Erfindung hervorgebracht, allerdings auf zwei völlig unterschiedliche Weisen“, sagt Van den Ackerveken. „Das zeigt, wie wichtig die Erkennung dieser NLP-Proteine sein muss.“ Für Evolutionsbiologen biete der Befund einen faszinierenden Einblick in das langjährige Wettrüsten zwischen Pflanzen und den Krankheitserregern, die sie befallen.
Schwachpunkt des Erregers ins Visier nehmen
Anschließend untersuchten die Forscher genauer, was genau der Rezeptor des Kopfsalats erkennt. Es stellte sich heraus, dass es sich um einen sehr kleinen Teil des Erregerproteins handelte: eine Kette aus nur sieben Aminosäuren, die als Heptapeptid-Motiv bekannt ist. Dieses winzige Fragment sei für den Erreger unerlässlich, um Pflanzen zu infizieren.
„Wenn Erreger der Erkennung entgehen wollten, indem sie diesen Teil des Proteins verändern, würden sie damit auch eine ihrer eigenen wichtigsten Waffen beschädigen“, erklärt Van den Ackerveken. „Mit anderen Worten: Sie können ihn nicht einfach verändern, ohne ihre Fähigkeit zur Infektion der Pflanze zu verlieren.“
Das mache den neu entdeckten Rezeptor besonders interessant. Er ziele auf einen Teil des Erregers ab, dem die Evolution nur sehr wenig Spielraum für Veränderungen gelassen hat.
Stärkere Nutzpflanzen beginnen mit Grundlagenforschung
Bedeutet das, dass wir bald krankheitsresistenten Salat in den Supermärkten finden werden? Nicht ganz. Laut Van den Ackerveken sollte diese Entdeckung nicht als Wundermittel angesehen werden. „Es ist wie bei der Sicherung eines Hauses“, sagt er. „Ein Schloss hilft, aber mehrere Schlösser in Kombination mit einer guten Alarmanlage machen es Einbrechern viel schwerer, einzudringen. Bei Pflanzen funktioniert das ganz ähnlich. Durch die Kombination verschiedener Abwehrmechanismen erschwert man es Krankheitserregern erheblich, einzudringen und Krankheiten zu verursachen.“
Die Forscher konzentrieren sich zudem nicht ausschließlich auf Salat. Sie haben bereits nachgewiesen, dass der Rezeptor auch in anderen Kulturpflanzen, darunter Kartoffeln, funktioniere. Dies lässt vermuten, dass ähnliche Rezeptoren wahrscheinlich dazu genutzt werden könnten, die natürliche Immunität vieler wirtschaftlich wichtiger Kulturpflanzenarten zu stärken.
Um die Lücke zwischen Grundlagenforschung und landwirtschaftlichen Anwendungen zu schließen, haben die Forscher ein Patent auf die Nutzung des Rezeptors angemeldet. Gemeinsam mit Partnern aus der Industrie prüfen sie nun, wie die Entdeckung weiterentwickelt werden kann.
Natürliche Abwehrmechanismen der Natur erschließen
Jede Pflanzenart verfüge über eine eigene Reihe von Immunrezeptoren, von denen viele noch entdeckt werden müssen. Jeder einzelne könnte zur Entwicklung von Nutzpflanzen beitragen, die sich stärker auf ihre eigenen natürlichen Abwehrmechanismen stützen.
„Je besser wir verstehen, wie Pflanzen Krankheitserreger erkennen, desto besser werden wir in der Lage sein, diese natürlichen Abwehrsysteme zu nutzen“, sagt Van den Ackerveken. „Aber der vielleicht schönste Aspekt dieser Entdeckung ist, dass sie uns daran erinnert, wie unglaublich komplex Pflanzen tatsächlich sind. Sie mögen still und verletzlich wirken, doch auf molekularer Ebene überwachen sie ständig ihre Umgebung und verteidigen sich.“
