Auch Pflanzen haben ein Immunsystem

Auch Pflanzen haben ein Immunsystem

Genauso wie wir Menschen werden auch Pflanzen ständig von Krankheitserregern und Umweltgefahren bedroht. Forschende zeigen nun, wie Pflanzen mit einem angeborenen Immunsystem solche Bedrohungen in Schach halten. Bereits kleinste Bruchstücke von Bakterien reichen aus, um bei Pflanzen eine Abwehrreaktion gegen die Schädlinge auszulösen.

In der freien Natur ist das Leben der Pflanzen ständig in Gefahr: Ungünstige Umweltbedingungen wie anhaltende Trockenheit oder Schadstoffe in Atmosphäre, Boden und Wasser bedrohen sie. Ausserdem lauern ständig angriffslustige Pilze, Bakterien und Viren. Könnten diese Krankheitserreger so, wie sie wollen, wäre die Flora nicht mehr so satt grün und prächtig. Pflanzen sind demzufolge in der Lage, ihre kleinen Feinde in Schach zu halten. Wie schaffen sie das, wo sie doch nicht einfach weglaufen oder zum Arzneischränkchen greifen können?

Antworten auf diese Frage geben Forschungsgruppen der Universitäten Basel und Würzburg. Sie zeigen, wie Pflanzen mit ihrem angeborenen Immunsystem potentielle Krankheitserreger in die Schranken weisen. Erforscht haben sie dieses Phänomen mit Bakterien vom Typ Pseudomonas und mit der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand). Pseudomonas-Bakterien können bei Pflanzen Fäulnis und andere Schäden hervorrufen.

Rezeptor erkennt Bruchstücke von Bakterien
Auf das Bakterium Pseudomonas fiel die Wahl nicht von ungefähr, denn der Forschungsgruppe um Thomas Boller war zuvor ein entscheidender Durchbruch gelungen: Die Forschenden identifizierten in der Hüllmembran von Pflanzenzellen einen Rezeptor (FLS2). Er erkennt noch in verschwindend kleinen Mengen Bruchstücke der bakteriellen Fortbewegungsorgane, der so genannten Flagellen.

Elektrische Erregung durch Bakterien-Bruchstücke
Die Forschenden untersuchten eine 22 Aminosäuren lange Peptidkette (Flg22) aus dem Flagellen-Baustein Flagellin und dazu Rezeptor-Mutanten von Arabidopsis. Sie stellten fest, dass das Bakterien-Peptid die Pflanzenzellen elektrisch erregt: Etwa eine Minute, nachdem sie den Pflanzen das Bakterien-Bruchstück verabreicht hatten, stellten sie einen Anstieg der Kalzium-Konzentration zusammen mit einer zehn Minuten anhaltenden Depolarisation der Membran fest. «Der Flagellin-Rezeptor aktiviert – abhängig von Kalzium – einen Anionen-Kanal in der Membran», sagt der Wissenschaftler Dirk Becker.

Pflanze schüttet antibakterielle Substanzen aus
Gleichzeitig konnte gezeigt werden, dass die Erregung der Membran an den Zellkern weitergeleitet wird und das Immunsystem stimuliert: Die Pflanze aktiviert Abwehrgene, baut antimikrobielle Substanzen und Enzyme zusammen und überschüttet damit die eingedrungenen Bakterien. Um die Verbreitung der Mikroben zu verhindern, begehen – quasi als letzte Instanz – rund um den Infektionsherd ganze Gruppen von Zellen den Opfertod. Zurück bleiben braune Flecken und mikroskopisch kleine «Narben» als Zeugen der gelungenen Schädlingsabwehr.

Hunderte von Frühwarnsystemen gegen Eindringlinge
Was aber, wenn die Pflanze das Flagellin übersieht, das bei vielen Bakterien vorkommt? «Kein Problem», sagt Thomas Boller, «die Pflanze identifiziert Eindringlinge gleichzeitig über verschiedene Rezeptoren – so nimmt sie einen typischen Fingerabdruck von den jeweiligen Erregern.» Das angeborene Immunsystem der Pflanzen besteht aus Hunderten solcher Frühwarnsysteme. Dazu gehören auch solche vom PEPR1/2 Typus, welche pflanzeneigene Peptide aus dem Zellinnern erkennen. Sobald Mikroben eine Pflanzenzelle verletzen, gelangen diese Peptide an die Oberflächenrezeptoren umgebender Zellen und signalisieren Gefahr.

Anionen-Kanal leitet Gefahrensignale weiter
Aus ihren Untersuchungen schliessen die Forschenden: Die unterschiedlichen Gefahrensignale, die von diesen Rezeptoren erkannt werden, werden über den gleichen Anionen-Kanal in ein elektrisches Signal übersetzt. Der Wissenschaftler Hedrich: «Gegenwärtig sind wir dabei, das Gen für diesen zentralen Ionenkanal aufzuspüren. Wir haben zwei Genfamilien gefunden, die Anionen-Kanäle codieren. Jetzt gilt es, den Hauptverdächtigen dingfest zu machen.»

Originalpublikationen

Early signaling through the Arabidopsis pattern recognition receptors FLS2 and EFR involves Ca2+-associated opening of plasma membrane anion channels, Elena Jeworutzki, M. Rob G. Roelfsema, Uta Anschütz, Elzbieta Krol, J. Theo M. Elzenga, Georg Felix , Thomas Boller , Rainer Hedrich, and Dirk Becker, Plant Journal 2010, Volume 62 Issue 3, Pages 367 – 378 (Published Online), DOI: 10.1111/j.1365-313X.2010.04155.x (PDF / Abstract)

Perception of the Arabidopsis Danger Signal Peptide 1 Involves the Pattern Recognition Receptor AtPEPR1 and Its Close Homologue AtPEPR2, Elzbieta Krol, Tobias Mentzel, Delphine Chinchilla, Thomas Boller, Georg Felix, Birgit Kemmerling, Sandra Postel, Michael Arents, Elena Jeworutzki, Khaled A. S. Al-Rasheid, Dirk Becker, and Rainer Hedrich, J. Biol. Chem. 2010 285: 13471-13479. First Published on March 3, 2010. DOI:10.1074/jbc.M109.097394 (PDF / Abstract)

CW

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