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Immunsystem von Pflanzen

So wehren sich Pflanzen gegen Krankheitserreger

| Autor/ Redakteur: Dr. Daniel Fleiter / Christian Lüttmann

Pflanzen müssen sich wie Tier und Mensch gegen verschiedene Krankheitserreger zur Wehr setzen. Dabei hilft ihnen ihr Immunsystem, die Keime zu erkennen und zu bekämpfen. Wie diese Immunabwehrprozesse ablaufen und im genetischen Code gespeichert sind, hat nun ein internationales Forscherteam näher untersucht. Die neuen Erkenntnisse könnten helfen, Pflanzen gegen eine breite Vielfalt von Keimen resistent zu machen.

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Prof. Dr. Detlef Weigel, geschäftsführender Direktor am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie, während der Arbeit im Labor.
Prof. Dr. Detlef Weigel, geschäftsführender Direktor am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie, während der Arbeit im Labor.
(Bild: Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie)

Evanston/USA ,Tübingen – Genau wie Tiere und Menschen sind auch Pflanzen auf Immunsysteme angewiesen, die ihnen dabei helfen, auf Angriffe durch pathogene Mikroben wie Bakterien oder Pilze zu reagieren. Ein zentraler Bestandteil des pflanzlichen Immunsystems wird aus NLR-Proteinen (nucleotide binding leucine-rich repeat) gebildet, die als Rezeptoren fungieren. In unterschiedlichen Kombinationen können sie das sich ständig verändernde Mikrobenspektrum der Umwelt erkennen.

Trotz des allgemeinen Fortschritts beim Verständnis, wie diese einzelnen Rezeptoren zusammenarbeiten, blieben zentrale Schlüsselfragen offen: Wie sieht das gesamte Spektrum der von Pflanzen produzierten NLR-Proteine aus? Wie stark variieren sie innerhalb einer Pflanzenart? In welchem Umfang benötigen Pflanzen diese NLR-Rezeptoren überhaupt?

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Genetische Spurensuche im Immunsystem der Ackerschmalwand

Ein internationales Team, das von der 2Blades Foundation durch ein Forschungsstipendium der „Gordon and Betty Moore Foundation“ unterstützt wurde, hat nun das NLR-Repertoire der Arabidopsis thaliana (kleine Ackerschmalwand) zusammengestellt. Die Forscher untersuchten dazu Pflanzenpopulationen aus Europa, Nordamerika und Asien, die von unterschiedlichen Krankheitserregern befallen waren. Mit Sequenzierungstechniken analysierten sie die genetische Vielfalt der NLR dieser Pflanzen.

Dabei fanden die Forscher heraus, dass das NLR-Repertoire der Pflanzen von Ort zu Ort verschieden war, und zwar wahrscheinlich aufgrund des unterschiedlichen Selektionsdrucks durch regionale Krankheitserreger. Darüber hinaus stellten die Wissenschaftler fest, dass es anscheinend eine Obergrenze für die Anzahl der NLR-Gene gibt, die quer durch alle untersuchten Pflanzen gilt.

„Die Vielfalt der Gene ist zwar begrenzter als wir erwartet hatten, es ist aber vielmehr ihre besondere Kombination, die jedes Individuum einzigartig resistent gegen unterschiedliche Spektren von Krankheitserregern macht“, kommentiert Detlef Weigel, geschäftsführender Direktor am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie.

Eine Referenzsequenz ist nicht genug

„Die vorliegenden Ergebnisse der Studie werden die Art und Weise verändern, wie Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Zukunft mit dem Thema umgehen werden“, sagt Jonathan Jones vom Sainsbury Laboratory in Großbritannien. „Eine der bemerkenswerten Schlussfolgerungen, die sich aus dieser Studie ergeben, besteht darin, dass sehr viele Populationen sequenziert werden müssen, um das gesamte Immunsystem jeder Pflanze definieren zu können. Vorbei sind die Zeiten, in denen eine einzige Referenzsequenz ausreichte, um die Geheimnisse einer Spezies enthüllen zu können; es ist jetzt klar, dass wir die gesamte genetische Vielfalt einer Spezies verstehen müssen, um auch ihr Immunsystem zu verstehen“, ergänzt der Biologe.

Die Forschungsergebnisse haben also erhebliche Auswirkungen auf das Verständnis von Landwirtschaft und Pflanzenevolution, wie auch Jeffery Dangl vom Howard Hughes Medical Institute der amerikanischen University of North Carolina bestätigt: „Diese Arbeit wird dazu beitragen, die Entdeckung neuer NLR-Rezeptorfunktionen für die Entwicklung krankheitsresistenter Pflanzen voranzutreiben und wird außerdem als Leitfaden für die Analyse ihrer Entwicklung im gesamten Pflanzenreich dienen.“

Originalpublikation: Anna-Lena Van de Weyer, Freddy Monteiro, Oliver J. Furzer, Marc T. Nishimura, Volkan Cevik, Kamil Witek, Jonathan D.G. Jones, Jeffery L. Dangl, Detlef Weigel, Felix Bemm: A Species-Wide Inventory of NLR Genes and Alleles in Arabidopsis thaliana, Cell Volume 178, Issue 5, P1260-1272.e14, August 22, 2019; DOI: 10.1016/j.cell.2019.07.038

* Dr. D. Fleiter, Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie, 72076 Tübingen

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