(openPR) Pflanzenschädlinge wie Bakterien und Pilze führen in der Landwirtschaft zu hohen Ertragseinbußen. Um neue Strategien gegen solche Krankheitserreger entwickeln zu können, ist das Verständnis der pflanzlichen Immunantwort von zentraler Bedeutung. Ein Team um den Biologen Prof. Dr. Jörg Kudla von der Universität Münster hat wichtige Komponenten und Mechanismen der molekularen Maschinerie identifiziert, die die Information über einen erfolgten Schädlingsbefall innerhalb des pflanzlichen Organismus weiterleitet. Die nun in der Fachzeitschrift „Science Advances“ veröffentlichte Studie gibt auch Hinweise darauf, wie es Pflanzen gelingt, Immunsignale von Zelle zu Zelle zu verbreiten, ohne dabei andere Signalketten in den betroffenen Zellen zu stören.
Werden Pflanzen von Krankheitserregern befallen, wehren sie sich mit einer zweiphasigen Immunantwort, die sich zuerst direkt an der befallenen Stelle ausprägt und sich danach über den gesamten Organismus ausbreitet. So werden die bislang nicht betroffenen Pflanzenteile auf eine mögliche Attacke vorbereitet. Bei diesem Prozess spielen Kalziumsignale eine essenzielle Rolle, die durch die Schädigung des pflanzlichen Gewebes ausgelöst und von Zelle zu Zelle weitergegeben werden. Zudem setzen die Zellen mithilfe einer NADPH-Oxidase (einem Enzym in der Zellmembran) reaktive Sauerstoffspezies („Sauerstoffradikale“) als weitere Signalmoleküle frei, die dann im Wechselspiel mit den Kalziumsignalen die systemische Ausbreitung der Immunantwort ermöglichen. Dieses Wechselspiel von Kalzium und Sauerstoffradikalen sowie die Regulation der NADPH-Oxidase durch kalziumabhängige Phosphorylierungen war bislang nicht genau verstanden.
Das Team um Jörg Kudla zeigte erstmals, dass zwei unterschiedliche Kinasen, die beide durch Kalzium aktiviert werden, zusammenwirken müssen, damit eine effektive Ausbreitung des Immunsignals möglich ist. Dieses „Kinase-Tandem“ macht die NADPH-Oxidase empfindlicher gegenüber Kalziumsignalen und ermöglicht eine synergistische Aktivierung dieses Enzyms, das dadurch vermehrt Sauerstoffradikale bildet. Eine der beiden kalziumabhängigen Kinasen war bereits bekannt, die zweite identifizierte das Team im Rahmen der nun veröffentlichten Studie. „Ein derartiges kalziumaktiviertes Kinase-Tandem wurde bislang noch nie beschrieben“, unterstreicht Jörg Kudla.
Die Biologen entwarfen auf der Basis ihrer Beobachtungen ein Modell der Ausbreitung der Immunantwort in Pflanzen: Ausgelöst durch einen Krankheitserreger, wird zuerst eine dritte Kinase im Inneren der betroffenen Zelle aktiv und sorgt dafür, dass diese Zelle extrazelluläre Sauerstoffradikale produziert, die zur Oberfläche benachbarter Zellen diffundieren. Soweit war der Prozess bekannt. Das Team zeigte nun: In den Nachbarzellen lösen diese Sauerstoffradikale nicht nur neue Kalziumsignale aus, sondern setzen dort das auch das kalziumabhängige Kinase-Tandem in Gang, das wiederum die Freisetzung von Sauerstoffradikalen aktiviert.
Dadurch erfolgt erneut ein Kalziumeinstrom in die Nachbarzellen. So breitet sich das Signal aus, ohne dass die betroffenen Zellen selbst mit dem Krankheitserreger in Kontakt kommen. „Überraschenderweise konnten wir beobachten, dass das sich ausbreitende Kalziumsignal relativ schwach ist und trotzdem ausreicht, um über das Kinase-Tandem die NADPH-Oxidase zu aktivieren. Es findet also eine Sensibilisierung dieses Enzyms statt. Die molekularen Ursachen dieser Sensibilisierung haben wir aufgeklärt“, sagt Jörg Kudla. „Darüber hinaus vermuten wir, dass die Sensibilisierung es ermöglicht, dass sich dieses schwache Kalziumsignal von Zelle zu Zelle ausbreiten kann, ohne dabei andere Signalketten, die ebenfalls von Kalzium abhängen, in den Zellen zu stören.“ Wie genau die Zellen die Stärke des Kalziumsignals regulieren, ist bislang nicht bekannt.
Für ihre Studien kombinierte das Team verschiedene molekulargenetische, zellbiologische und biochemische Methoden. Die Untersuchung der Ausbreitung von Kalziumsignalen in Geweben erfolgte in transgenen Pflanzen der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), in denen die Forscher Biosensorproteine für Kalzium mittels hochauflösender Mikroskopie untersuchten. Für weitere Untersuchungen wurden menschliche Zellkulturen verwendet, in denen der pflanzliche Signalweg nachgebaut wurde.
Von der Universität Münster war neben der AG Kudla die Gruppe von Prof. Dr. Iris Finkemeier beteiligt. Weitere Autorinnen und Autoren stammen aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Tina Romeis (ehemals Freie Universität Berlin; jetzt Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie in Halle).
wissenschaftliche Ansprechpartner: Dr. Philipp Köster Universität Münster Institut für Biologie und Biotechnologie der Pflanzen AG Molecular Genetics and Cellbiology of Plants E-Mail:
