Blinder Passagier nutzt Sicherheitslücke

Rübenzysten-Nematoden nutzen die Abwehrstrategie von Pflanzen aus, um sich auszubreiten und zu vermehren, das haben Forscher aus Bonn im Verbund mit Kollegen im Ausland in einer aktuellen Studie herausgefunden.

Die hypersensitive Reaktion ist einer der wichtigsten Abwehrmechanismen einer Pflanze. Im Falle einer Infektion wird ein programmierter Zelltod an der betroffenen Stelle eingeleitet, wodurch die befallenen Zellen und der Erreger absterben und eine Ausbreitung unterbunden wird. Im Rahmen einer Studie, an der auch Wissenschaftler aus Deutschland beteiligt waren, fanden Forscher heraus, dass sich der Rübenzysten-Nematode (Heterodera schachtii) ausgerechnet diese Abwehrstrategie zunutze macht, um sich innerhalb der Pflanze auszubreiten und zu vermehren.

Der Rübenzysten-Nematode stört die Wasser- und Nährstoffversorgung

Der Rübenzysten-Nematode ist ein Parasit, der neben der Zuckerrübe auch Raps, Senf und verschiedene Kohlarten befällt. Der Fadenwurm beeinträchtigt die Wasser- und Nährstoffaufnahme, wodurch das Wachstum und damit auch der Ertrag beeinträchtigt werden. Ernteverluste von bis zu 50 Prozent sind keine Seltenheit. Nematodenlarven überleben im Erdboden in stecknadelgroßen Zysten, die bis zu 250 Eier enthalten können. Nachdem sie durch Wurzelausscheidungen im Erdboden aktiviert werden, dringen die Larven knapp unter den Wurzelspitzen in die aktive Wachstumszone der Wurzeln ein. Mit dem Nährstoffstrom werden die Larven zur Wurzelmitte, in den sogenannten Zentralzylinder, transportiert.

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Dort angekommen heften sich die Larven mit ihrem Mundstachel an eine Wurzelzelle und injizieren ihren Speichel. Dies bewirkt, dass sich die Zellmembran auflöst und die Zelle mit benachbarten Zellen verschmilzt. Auf diese Weise entsteht eine mehrkernige Wirtszelle (Syncytium). Diese kann aus bis zu 200 verschmolzenen Zellen bestehen, aus der sich die Larve mit Nährstoffen versorgt, während sie wächst und sich entweder zu einem Männchen oder Weibchen entwickelt. Während die Männchen wurmförmig und beweglich sind, bilden die Weibchen an Ort und Stelle neue Zysten. Nach der Befruchtung der Zysten durch die Männer sterben die Weibchen ab. Die im Erdreich verbleibenden Zysten sind über 10 Jahre überlebensfähig.

Der Parasit profitiert von der Bildung von Sauerstoffradikalen

Die Wissenschaftler versuchten im Rahmen ihrer Studie, die Schwachstelle in der Abwehrstrategie der Pflanzen zu finden. Sie untersuchten dafür den Befall an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana, der Ackerschmalwand. Diese waren genetisch so verändert, dass sie nicht mehr in der Lage waren, Sauerstoffradikale zu bilden. Den Pflanzen fehlten zwei Enzyme (RbohD und RbohS), die für die gezielte Bildung von Sauerstoffradikalen zur Bekämpfung von Schädlingen und Eindringlingen verantwortlich sind. Sauerstoffradikale haben eine zellschädigende Wirkung und spielen daher bei der Bekämpfung von fremden Organismen durch die Einleitung des programmierten Zelltods eine wichtige Rolle. Im Versuch zeigte sich jedoch, dass die Ausbreitung der Nematodenlarven langsamer ablief und die Wirtszellen außerdem kleiner waren, sobald die Bildung von Sauerstoffradikalen unterbunden wurde.

Sauerstoffradikale können der eigenen pflanzlichen Abwehr entgegen wirken

Die Forscher beobachteten, dass der Speichel des Parasiten, den er in die Wirtszelle injiziert, ein Protein (10A06) enthält, das indirekt zur Bildung von Sauerstoffradikalen anregt. Die Ergebnisse legen den Verdacht nahe, dass Sauerstoffradikale im Rahmen der Bekämpfung einer Infektion nicht nur der Pflanzenabwehr dienen, sondern sich auch negativ auf die betroffene Pflanze auswirken können. Statt die Bildung und das Wachstum der Wirtszellen zu verhindern, wurden diese durch die Sauerstoffradikale gefördert. Der Parasit sicherte sich auf diese Weise seine Nahrungsgrundlage. Auch bezüglich seiner Ausbreitung innerhalb der Wurzel profitierte der Parasit, indem die speziell durch RbohD und RbohS ausgeschütteten Sauerstoffradikale den programmierten Zelltod zwar einleiteten, die Ausbreitung der Schutzreaktion auf benachbarte Zellen jedoch anscheinend einschränkten.

Ein erster Schritt zur Bekämpfung des Parasiten

Aufgrund der Tatsache, dass der Rübenzysten-Nematode einen hohen wirtschaftlichen Schaden verursacht und äußerst schwierig zu bekämpfen ist, weil die Larven über viele Jahre hinweg im Boden überleben, haben die Forscher einen ersten Schritt zur Bekämpfung des Schädlings geleistet, indem sie seine Strategie entschlüsselt haben. Gleichzeitig weisen die Forscher darauf hin, dass einige Fragen nach wie vor offen bleiben, zum Beispiel wie der Rübenzysten-Nematode diese Lücke entdeckte und lernte, diese für seine Zwecke auszunutzen, und welche Abläufe und Prozesse genau auf molekularer Ebene stattfinden.