Ein tieferes Verständnis der Bekämpfung von Pflanzenpathogenen
Wenn ein Krankheitserreger in eine Pflanze eindringt, werden die Abwehrkräfte aktiviert und es kommt zu einem Kampf auf zellulärer Ebene. Die Kommunikation zwischen Zellen ermöglicht den Austausch von Ressourcen und Informationen innerhalb eines Organismus, wenn dies erforderlich ist. In Pflanzen geschieht dies durch den Symplast, ein einzigartiges System dünner Verbindungsstränge, die Plasmodesmata genannt werden und zwischen den Zellen verlaufen. Es wird davon ausgegangen, dass die Plasmodesmata ein wichtiges Schlachtfeld im Kampf zwischen Pflanze und Krankheitserreger sind. Bei Immunreaktionen regulieren Pflanzen die Plasmodesmata, um die Verbindungen zwischen den Zellen zu schließen. Krankheitserreger versuchen, diese Regulierung zu unterdrücken, um die Wege offen zu halten – die genauen Gründe dafür sind jedoch unbekannt. Im Rahmen des vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) finanzierten Projekts INTERCELLAR wurde mithilfe verschiedener experimenteller und rechnergestützter Verfahren untersucht, wie genau der Symplast zu Infektions- und Abwehrstrategien beiträgt. „Plasmodesmale Reaktionen auf Krankheitserreger und Krankheitserreger, die auf diese plasmodesmalen Reaktionen abzielen und sie unterdrücken, sind einer Reihe von Arten und krankheitsverursachenden Mikroorganismen gemeinsam“, sagt Christine Faulkner(öffnet in neuem Fenster), Projektleiterin am John Innes Centre. „Ich gehe davon aus, dass unsere Ergebnisse von allgemeiner Relevanz sind und auf andere Arten übertragen werden können.“
Entdeckung der Rolle der Plasmodesmata
Das Team stellte die Hypothese auf, dass Pflanzen Plasmodesmata schließen, um Abwehrhormone in den Zellen zu bilden und so auf eine pathogene Bedrohung zu reagieren. Es wurde angenommen, dass der Krankheitserreger diese Reaktion bekämpft, damit seine Effektorproteine(öffnet in neuem Fenster) – die Werkzeuge, die sie zur Infektion verwenden – in neue Zellen eindringen und diese manipulieren können, während sie gleichzeitig einen offenen Versorgungsstrang für Zucker für die Infektion aufrechterhalten. Um diese Hypothesen zu überprüfen, suchte das INTERCELLAR-Team nach genetischen Veränderungen im Immunsystem und bei der Molekülproduktion bei mutierten Pflanzen, die die Plasmodesmata nicht schließen können. Sie untersuchten zudem einen Pilzerreger, um Effektorproteine zu finden, die sich zwischen Zellen bewegen können. Die Forschenden verfolgten auch gezieltere Ansätze. In den Wirtspflanzen überprüften sie, wie sich die Immunreaktionen veränderten, wenn Plasmodesmata gestört wurden, und verwendeten Modelle, um festzustellen, ob die Reaktionen mit der Ausbreitung chemischer Signale durch Plasmodesmata übereinstimmten.
Unerwartete und signifikante Ergebnisse
Im Rahmen des Projekts wurden zahlreiche Effektorproteine eines Pilzerregers entdeckt, die durch Plasmodesmata zu nicht infizierten Zellen wandern können, und sogar eines, das auf Plasmodesmata selbst abzielt und sie öffnet. Dies zeigt, wie die Manipulation dem Krankheitserreger helfen kann. Seltsamerweise erhöhten geschlossene Plasmodesmata die Resistenz gegen bestimmte Pathogene, aber die Anfälligkeit für andere. Ein äußerst wichtiges Ergebnis war unerwartet. Die Forschenden schufen Pflanzen, bei denen sie verändern konnten, ob Plasmodesmata offen oder geschlossen waren. Dabei untersuchten sie Kalziumreaktionen – ein Schlüsselelement der Immunsignalisierung. Sie fanden heraus, dass die durch Stress ausgelösten Kalziumwellen nicht wie bisher angenommen von Plasmodesmata abhängen, sondern von der Diffusion von Aminosäuren durch die Zellwand. Dies deutet darauf hin, dass die meisten aktuellen Modelle für die Übertragung von Kalziumwellen in Pflanzen wahrscheinlich falsch sind, und stützt stattdessen eine 1926 von Ricca aufgestellte Hypothese(öffnet in neuem Fenster) für die Übertragung von Stresssignalen von Zelle zu Zelle. „Die unerwarteten Ergebnisse zu Kalziumwellen stellen bestehende Modelle und Dogmen infrage und werfen viele neue Fragen zur Signalübertragung in Pflanzen auf“, fügt Faulkner hinzu.
Die Kommunikation zwischen Pflanzenzellen neu überdenken
In Faulkners Labor wird diese Forschung fortgesetzt, wobei sich der Schwerpunkt angesichts der Projektergebnisse verlagert. „Einige davon führen uns bereits in Richtungen, die nicht nur auf Plasmodesmata zeigen“, merkt Faulkner an. „Sie führen mich in unbekannte Gewässer, und das ist aufregend!“
Schlüsselbegriffe
INTERCELLAR, Pflanze, Pathogen, Krankheitserreger, Kalzium, Plasmodesmata, Resistenz, Wirt, Pilz, Symplast
