Immunsysteme von Pflanzen und Tieren ähnlicher als gedacht

Wie das pflanzliche Frühwarnsystem aktiviert wird

22.08.2017 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Mikroorganismen wie Bakterien oder Viren verraten sich durch spezifische molekulare Muster (PAMPs), die die Pflanzen erkennen können. Leider gelingt es dem pflanzlichen Immunsystem nicht immer, die Angriffe abzuwehren. (Bildquelle: © 7monarda/Fotolia.com)
Mikroorganismen wie Bakterien oder Viren verraten sich durch spezifische molekulare Muster (PAMPs), die die Pflanzen erkennen können. Leider gelingt es dem pflanzlichen Immunsystem nicht immer, die Angriffe abzuwehren. (Bildquelle: © 7monarda/Fotolia.com)

Wie erkennen Pflanzen drohende Gefahren durch Krankheitserreger und Schädlinge und mit welchen Mechanismen wird der Angriff gekontert? Immer mehr Erkenntnisse zeigen, dass das pflanzliche Immunsystem mehr mit dem tierischen gemeinsam hat, als man auf den ersten Blick vermuten würde.  

Alle lebenden Organismen haben Mechanismen gefunden, um sich gegen Angriffe auf Ihre Gesundheit zu schützen. Die pflanzliche Widerstandskraft gegen allerlei schädliche Invasoren ist nicht nur für die Grundlagenforschung ein spannendes Feld. Sie steht auch im Fokus der Pflanzenzüchtung, da man versucht, Resistenzen – d. h. die pflanzliche Immunität gegen Krankheiten und Schädlinge – in Kulturpflanzen einzubringen und damit Erträge zu sichern.

Angeborene Immunsysteme von Pflanzen und Tiere ticken teilweise gleich

Bei Pflanzen spricht man noch nicht lange von einem „Immunsystem“. Denn es war ein Begriff, der für Menschen und Tieren reserviert war. Dass auch Pflanzen über ein vergleichbares Abwehrsystem verfügen, wurde erst nach und nach deutlicher. 

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Pilze können verheerende Schäden anrichten, wie hier in einem Maisfeld. Die Resistenzzüchtung ist ein Mittel, um Nutzpflanzen zu schützen. Doch noch ist das Immunsystem von Pflanzen nicht vollständig verstanden.

Pilze können verheerende Schäden anrichten, wie hier in einem Maisfeld. Die Resistenzzüchtung ist ein Mittel, um Nutzpflanzen zu schützen. Doch noch ist das Immunsystem von Pflanzen nicht vollständig verstanden.

Bildquelle: © iStock.com/User9236883_407

Mittlerweile weiß man, dass Pflanzen, Tiere und Menschen gleichermaßen über ein angeborenes Immunsystem verfügen. Was Pflanzen allerdings nicht haben, sind die spezialisierten Immunzellen oder Antikörper der Tiere (adaptives oder erworbene Immunantwort).

Pflanzliche und tierische Immunsysteme weisen also Unterschiede, aber auch Gemeinsamkeiten auf. Bemerkenswert sind die Parallelen des angeborenen Immunsystems auf der molekularen Ebene. Diese heben auch Wissenschaftler des Zentrums für Molekularbiologie der Pflanzen (ZMBP) der Universität Tübingen in einem Review hervor, der in der Fachzeitschrift „Trends in Plant Science“ erschien.

Die Signale richtig deuten

Um Krankheitserreger (Pathogene) und deren Infektionsversuche abzuwehren, müssen Pflanzen genau wie Tiere zunächst Gefahrensignale wahrnehmen und richtig deuten. Beide verfügen über ein komplexes Überwachungssystem, das zwei Arten von Gefahrensignalen detektiert: Signale vom „Feind“ und Signale, die vom eigenen Organismus gesendet werden.

Schauen wir zunächst auf die „fremden“ Signale: Das sind chemische Substanzen, die für Mikroorganismen typisch sind (sogenannte Elicitoren). Dafür prägte man in den späten 1990er-Jahren die Begriffe „Pathogen-Associated Molecular Patterns“ (PAMPs) bzw. „Microbe-Associated Molecular Patterns“ (kurz: MAMPs). Diese chemischen Muster werden durch spezielle Rezeptoren erkannt, den Muster-Registrierungs-Rezeptoren (engl.: „Pattern Recognition Receptors“, PRR). Binden PAMPs an die Rezeptoren, wird das Frühwarnsystem ausgelöst und Verteidigungsmaßnahmen eingeleitet.

Die Reaktionen, die danach folgen, werden auch „PAMP-getriggerte Immunität“ (PTI) genannt. Sie sind unspezifisch, also nicht auf einen spezifischen Krankheitserreger zugeschnitten. Pathogenen gelingt es jedoch immer wieder, diese erste Abwehrlinie zu überwinden. Denn sie produzieren bestimmte Proteine (Effektoren), um die pflanzliche Abwehr lahmzulegen. Im Gegenzug haben auch Pflanzen Wege gefunden, diese eindringenden Effektoren zu erkennen und die zweite Verteidigungsstufe zu aktivieren, die „Effektor-getriggerte Immunität“ (ETI). Diese können von einem programmierten Zelltod begleitet werden, um die Erkrankung einzugrenzen.

Meins, deins - egal!

Lange ging man davon aus, dass das Immunsystem nur durch „fremde“ Signale aktiviert wird. Doch das erklärte nicht das Phänomen, dass Immunantworten auch ohne Infektion auftreten können - sogenannte „sterile Entzündungen“. Das legte nahe, dass auch wirtseigene Signale ähnliche Abwehrreaktionen hervorrufen.

Eine neue Gruppe von Mustern wurde definiert: Die „Damage-Associated Molecular Patterns“ (DAMPs). Es sind Gefahrensignale, die die Pflanze als Folge von Gewebe- oder Zellschäden wahrnimmt (siehe hierzu auch: Choi/Klessig, 2016). Viele dieser Motive werden von der gleichen Gruppe von PRRs erkannt, die auch MAMPs detektieren. Dies führte zu der Hypothese, dass das angeborene Immunsystem alle Typen von Molekülen, die Gefahr signalisieren, erfasst und nicht zwischen eigenen und fremden unterscheidet. Droht also Gefahr, werden Verteidigungsmaßnahmen aktiviert, egal von wem die Gefahrensignale ursprünglich abstammen.

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Wenn sich ein Feind an der Pflanze zu schaffen macht, werden in der Pflanze Abwehrmechanismen ausgelöst.

Wenn sich ein Feind an der Pflanze zu schaffen macht, werden in der Pflanze Abwehrmechanismen ausgelöst.

Bildquelle: © iStock.com/snvv

Primäre Gefahrensignale

Wirtseigene Signale lassen sich den Tübinger Wissenschaftlern zufolge wiederum in zwei Kategorien einteilen: Zum einen Moleküle, die passiv freigesetzt werden (primäre endogene Gefahrensignale) und Peptide, die aktiv von Pflanzen aufgebaut werden, um die Immunantwort zu regulieren (sekundäre endogene Gefahrensignale).  

Nagt beispielsweise ein Fraßfeind an einer Pflanze oder wird sie infiziert, führt dies zu Schäden an den pflanzlichen Zellen. Dadurch dringen Moleküle aus der Zellwand oder dem Innern der Zellen in den Apoplast. Bei Pflanzen sind im Gegensatz zu Tieren bisher nur wenige Stoffe identifiziert, die Zellschädigungen signalisieren. Zu den bekannten pflanzlichen primären Signalen zählen Bestandteile aus Pektinen der Zellwand, sogenannte Oligogalacturonide, oder auch der Energieträger ATP (Adenosintriphosphat). Es wird vorgeschlagen, hier von „klassischen“ DAMPs zu sprechen. Denn normalerweise werden alle Gefahrensignale, die von Wirt selbst ausgehen, unter dem Begriff gefasst.

Sekundäre Gefahrensignale

Als sekundäre Gefahrensignale werden Peptide klassifiziert, die aktiv von der Pflanze gebildet werden. Systemin, das vor allem bei Tomaten gut untersucht wurde oder eine Familie von Peptiden, die man kurz RALF (engl.: Rapid Alkalinization Factor) nennt, sind Beispiele dafür.

Alle solche bekannten pflanzlichen Peptide haben ähnliche Eigenschaften wie Cytokine bei Tieren, die eine Rolle bei der Immunantwort spielen. Sie werden beispielsweise beide als Reaktion auf PAMPs bzw. andere primäre endogene Gefahrensignale synthetisiert, von speziellen Rezeptoren erkannt und ihre Biosynthese löst die Produktion anderer immunmodulierender Peptide aus.

Daher schlagen die Autoren des Reviews vor, diese pflanzlichen Peptide künftig als „Phytocytokine“ zu bezeichnen. Sie wollen damit nicht nur die gemeinsamen Merkmale dieser Moleküle hervorheben, sondern auch die Ähnlichkeit der beiden eukaryotischen Verteidigungssysteme. Denn auch wenn viele Aspekte des pflanzlichen Immunsystems noch nicht erforscht sind, ist mittlerweile klar, dass Abwehrmechanismen von Pflanzen und vielzelligen Tieren (Metazoa) einer ähnlichen Logik folgen.

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