Pflanzliche Immunabwehr für höhere Ernteerträge
Ernteausfälle aufgrund von Schädlingen und Krankheiten sind für die Landwirtschaft weltweit eine große Herausforderung. Jüngsten Schätzungen zufolge verursachen sie bis zu 40 % Verluste im Ertragspotenzial. Versuche, die Krankheitserreger mit chemischem Spritzmitteln zu kontrollieren, können sich negativ auf das Ökosystem auswirken und die Krankheitserreger entwickeln oft Resistenzen. Pflanzen können sich in vielen Fällen selbst schützen, indem sie die erste Immunitätsstufe – die pathogeninduzierte Immunität, kurz PTI – auslösen, sobald sie Mikroben entdecken. Durch diese „höchste Alarmbereitschaft“ sind sie widerstandsfähiger gegen Infektionen, zum Teil indem sie die Expression tausender Gene verändern. transcriPTIon hat diese Immunantwort mit Hilfe einer großen Bandbreite an mikrobenbasierten Molekülen an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana untersucht. Das von der EU geförderte Projekt fand heraus, dass sich die frühen Muster der Genexpression bei der Reaktion auf verschiedene Krankheitserreger bemerkenswert ähnlich waren. Manche Muster wurden sogar für Reaktionen der Pflanze auf äußerst unterschiedliche Belastungen konserviert. RNA-Sequenzierung mit einer völlig neuen Vielfalt von Krankheitserregern Pflanzen entdecken Krankheitserreger mit Hilfe von sogenannten Elizitoren, also membrangebundenen Rezeptoren an der Zelloberfläche, die mikrobielle Signaturen erkennen. Die Pflanzen reagieren mit einer immens aufwändigen Umprogrammierung der Transkription von Genen, die exprimiert werden sollen oder eben nicht, und ermöglichen somit die PTI. „Wir wissen ziemlich gut, wie Pflanzen Mikroben entdecken, aber nur sehr wenig darüber wie sie sich selbst tatsächlich schützen. Vor dem Projekt wussten wir nicht wirklich wie maßgeschneidert diese Reaktion ausfallen würde oder wie schnell sie wirken würde“, so MSCA-Stipendiatin Dr. Marta Bjornson. transcriPTIon hat in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana bestimmte Signalbestandteile untersucht. „Untersuchungen in einem kontrollierten System machen es einfacher, zu den regulativen Kernprinzipien vorzudringen, die möglicherweise in allen Wechselwirkungen zwischen Pflanze und Mikrobe konserviert sind“, sagt Dr. Bjornson. Um die transkriptionelle Logik hinter der Pflanzenimmunität zu testen, behandelte transcriPTIon die Pflanzen mit sieben verschiedenen Elizitoren. Zu sechs Zeitpunkten wurde dann eine RNA-Probe der Pflanze genommen, und zwar zwischen 5 Minuten und 3 Stunden danach. Dadurch zeigten sich Muster von Genexpressionen über alle Elizitoren, Zeitpunkte und Transkriptionsfaktoren hinweg, die diese Muster beeinflussen könnten. transcriPTIon hat herausgefunden, dass alle Elizitoren eine große Grundmenge von Genen auslösten, besonders in den ersten Minuten, nachdem ein Elizitor entdeckt wurde, und dass diese Gene ebenso bei den ersten Reaktionen der Pflanze auf abiotische Stressfaktoren ausgelöst werden, wie bei Salz, extremen Temperaturen oder starker Lichteinstrahlung. Dies deutet darauf hin, dass die Erstreaktion keine spezifische Immunantwort ist, sondern eher eine allgemeine Stressreaktion. Die späteren Reaktionen wurden dann spezifischer: ein Elizitor löste viele Gene einmalig aus. Doch auch zu späteren Zeitpunkten wurde noch eine kleine Grundmenge von Genen von allen Elizitoren, aber von keinen abiotischen Stressfaktoren ausgelöst, was auf eine spezifische PTI-Antwort schließen lässt. Lebensmittelsicherheit und nachhaltige Landwirtschaft transcriPTIon hat Umfang und zeitlichen Ablauf der normalen PTI und abiotischen Stressreaktionen definiert. Anwendungen auf Basis der Ergebnisse aus transcriPTIon könnten die natürliche Immunität von Nutzpflanzen erweitern und somit die Ertragsstabilität erhöhen und die Abhängigkeit von Pestiziden senken. „Für ein marktfähiges Produkt ist noch viel zu tun. Wir untersuchen noch mögliche Gene, die in einer Modellpflanze die Resistenz gegen einen Modellkrankheitserreger beeinflussen – was auch immer wir dabei finden, es müsste noch an Nutzpflanzen, verschiedenen Krankheitserregern und unter verschiedenen Feldbedingungen getestet werden“, so Dr. Bjornson. Dr. Bjornson testet gerade die Transkriptionsfaktoren aus transcriPTIon und hat bereits herausgefunden, dass mindestens ein Regulator der allgemeinen Stressreaktion für PTI notwendig ist. Weiterhin untersucht sie mehrere Gene, die speziell als Reaktion auf Krankheitserreger, aber nicht auf andere Stressfaktoren, gesteuert zu werden scheinen.
Schlüsselbegriffe
transcriPTIon, Krankheit, Pflanze, Infektion, Immunsystem, mikrobiell, Krankheitserreger, Nutzpflanzen, Lebensmittelsicherheit, Pflanzenschutz, Resistenz
