Immunantwort von Pflanzen geklärt
26.08.2020Pflanzen können sich gegen schädliche Pilze und Bakterien wehren. Mit welcher Signalkette sie auf solche Gefahren reagieren, beschreibt ein internationales Forschungsteam im Journal „Nature“.
Genau wie der Mensch müssen sich Pflanzen gegen ein breites Spektrum von Mikroorganismen zur Wehr setzen. Die krankheitserregenden Bakterien und Pilze nutzen kleine Poren in der Blattoberfläche, die sogenannten Spaltöffnungen, um in die Pflanzen einzudringen. Pflanzen können diese Öffnungen zwar verschließen, wenn sie von Krankheitserregern bedroht sind, aber nicht auf Dauer: Sie brauchen offene Poren, um Kohlendioxid für die Photosynthese aus der Umgebung aufzunehmen.
Der Mechanismus, mit dem Pflanzen die Feinde erkennen und dann die Schotten dichtmachen, ist für ihr Überleben im Freiland unverzichtbar. Mit genau diesem Mechanismus befasst sich die Forschungsgruppe von Professor Rainer Hedrich an der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg seit vielen Jahren.
Hedrichs Team hat unter anderem entdeckt, wie ein spezialisierter Zelltyp – ein Paar von Schließzellen, die für Luft und Wasserdampf durchlässige Spalten bilden – das Öffnen und Schließen dieser Spaltöffnungen kontrolliert. Eine zentrale Rolle dabei spielt der SLAC1-Kanal in der äußeren Membran der Schließzellen: Erhöht sich in den Zellen die Kalziumkonzentration, lässt der Kanal Anionen wie Chlorid aus den Zellen entweichen. Als Folge davon gehen die Spaltöffnungen zu.
Neue Funktion der OSCA-Kanäle entdeckt
Lange Zeit war unklar, wie der Kalziumspiegel in den Schließzellen als Reaktion auf Krankheitserreger ansteigt. Ein Konsortium unter Leitung von Professor Cyril Zipfel von der Universität Zürich hat nun mit Unterstützung der Gruppe von Professor Hedrich die lang gesuchte Reaktionsabfolge identifiziert, die zur Immunantwort der Spaltöffnungen beiträgt. Die Ergebnisse sind in der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.
Mit Hilfe einer neuen Technik, die in Hedrichs Labor entwickelt wurde (scanning ion selective electrodes), stellte sich heraus: Zwei Proteine aus der OSCA-Familie lassen Kalzium-Ionen in die Schließzellen eindringen, sobald Immunrezeptoren auf der Zelloberfläche einen Erreger erkannt haben.
Die OSCA-Kanäle waren bisher dafür bekannt, dass sie auf mechanische Reize reagieren. Bei der Immunantwort werden sie durch eine chemische Modifikation aktiviert. Dieser Schritt löst in den Schließzellen eine Signalkette aus, die über den Kanal SLAC1 verläuft und letztlich zum Verschließen der Spaltöffnungen führt. Das zeigte den Wissenschaftlern, dass die OSCA-Kanäle bei mechanischen Beschädigungen sowie bei Infektionen durch Bakterien und Pilze eine wichtige Rolle spielen.
Neue Strategien für die Pflanzenzüchtung
Krankheiten, die durch Bakterien und Pilze verursacht werden, können in der Landwirtschaft verheerende Folgen haben, da sie enorme Ertragsverluste verursachen und Hungersnöte auslösen können.
Mit der Entdeckung der Rolle der OSCA-Kanäle bei der Immunreaktion von Pflanzen können die Gruppen um die Professoren Zipfel und Hedrich nun neue Strategien zur Züchtung von Pflanzen erforschen, die eine verbesserte Abwehrreaktion gegen Krankheitserreger besitzen. In der landwirtschaftlichen Praxis sollten solche Pflanzen weniger anfällig für Krankheiten sein und es den Landwirten ermöglichen, den Einsatz von Chemikalien für den Pflanzenschutz zu reduzieren.
Publikation
The calcium-permeable channel OSCA1.3 regulates plant stomatal immunity, Nature, 26. August 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2702-1
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2702-1
Kontakt
Prof. Dr. Rainer Hedrich, Lehrstuhl für Botanik I (Pflanzenphysiologie und Biophysik), Universität Würzburg, T +49 931 31-86100, hedrich@botanik.uni-wuerzburg.de
