Kalt Erwischt

Bakterielles Kälteschockprotein aktiviert pflanzliches Immunsystem

04.01.2017 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Kälteschockproteine (engl. Cold shock protein) sind eine Gruppe von Proteinen, die von Bakterien gebildet werden, wenn die Umgebungstemperatur schlagartig um mehr als zehn Grad Celsius absinkt. (Bildquelle: © Simone Hainz / pixelio.de)
Kälteschockproteine (engl. Cold shock protein) sind eine Gruppe von Proteinen, die von Bakterien gebildet werden, wenn die Umgebungstemperatur schlagartig um mehr als zehn Grad Celsius absinkt. (Bildquelle: © Simone Hainz / pixelio.de)

Nachtschattengewächse wie Tomaten oder Tabak erkennen schädliche Bakterien an deren Kälteschockprotein. Das funktioniert, obwohl Kälteschockproteine sich hauptsächlich im Inneren der Bakterien aufhalten. Verantwortlich dafür ist ein neu entdeckter Rezeptor.  

Pflanzen werden ständig von unterschiedlichsten Schädlingen attackiert. Unter den Angreifern sind nicht nur hungrige Kühe oder gefräßige Käfer, sondern auch Pilze, Bakterien oder Viren. Diese Mikroorganismen erkennt das pflanzliche Immunsystem anhand bestimmter, verräterischer Peptide.

Wissenschaftler um Georg Felix von der Eberhard-Karls-Universität Tübingen haben jetzt einen neuen Rezeptor in Tomatenpflanzen entdeckt, der sehr spezifisch das bakterielle Kälteschockprotein bindet. Die Forscher tauften den Rezeptor auf den Namen CORE – abgeleitet vom Begriff Cold Shock Protein Receptor, der englischen Übersetzung für Kälteschockprotein-Rezeptor.

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Tomaten erkennen das bakterielle Kälteschockprotein mit Hilfe des Rezeptors CORE und leiten Verteidigungsreaktionen ein. Bei Wildtomaten ist das Gen für diesen Rezeptor hingegen beschädigt.

Tomaten erkennen das bakterielle Kälteschockprotein mit Hilfe des Rezeptors CORE und leiten Verteidigungsreaktionen ein. Bei Wildtomaten ist das Gen für diesen Rezeptor hingegen beschädigt.

Bildquelle: © iStock.com/ annalovisa

Kultivierte Tomaten (Solanum lycopersicum) können dank dieses Rezeptors schnell auf eine bakterielle Invasion reagieren. Beim Kontakt mit dem Kälteschockprotein produzieren die Pflanzen große Mengen an Sauerstoffradikalen, die die Bakterien zerstören sollen. Wildtomaten (Solanum pennellii) hingegen fehlt dieser Rezeptor. Zwar findet sich in ihrem Genom noch das korrekte Gen, allerdings ist der Promoter beschädigt. Das Gen kann nicht abgelesen werden.

Erkenne deine Feinde – dank MAMPs

Bereits seit mehr als zehn Jahren ist bekannt, dass das Immunsystem der Nachtschattengewächse, wie Tomate, Kartoffel oder Tabak, das bakterielle Kälteschockprotein erkennt. Als Erkennungssequenz dient unter anderem das Peptid csp22. Solche für Mikroorganismen charakteristischen Peptide, die von der pflanzlichen Immunabwehr erkannt werden, nennen Forschern auch MAMPs (Microbe-associated Molecular Patterns). Die pflanzlichen Rezeptoren, welche die MAMPs binden, werden PRR (Pattern Recognition Receptor) genannt. Bisher war nicht klar, welcher Rezeptor das csp22 aus dem Kälteschockprotein bindet und daraufhin eine Verteidigungsreaktion einleitet.

Den Forschern war jedoch aufgefallen, dass Wildtomaten auf csp22 nicht reagierten, Kulturtomaten hingegen schon. Sie nutzten daher für ihre Experimente eine Sammlung von 49 rekombinanten Inzuchtlinien (Ils) aus Kultur- und Wildtomate. Jede dieser Inzuchtlinien enthält mehrheitlich das Genom der Kulturtomate, lediglich ein kleiner Abschnitt stammt aus der Wildtomate.

Inzuchtlinien und Tabakpflanzen halfen bei der Suche

Nahezu alle Inzuchtlinien erkannten das Peptid csp22 – den Kulturtomatengenen sei Dank. Zwei Linien aber versagten bei dem Test: IL3-2 und IL3-3 zeigten sich von csp22 unbeeindruckt. Bei diesen beiden Linien war ein Teil des Chromosoms 3 der Kulturtomate durch Gene der Wildtomate ersetzt. Die Wissenschaftler schlussfolgerten: Das Gen für den Rezeptor für csp22 befindet sich in dem Bereich des Genoms der Kulturtomate, der bei IL3-2 und IL3-3 fehlte. Etwa 30 rezeptorartige Proteine waren in diesem Abschnitt des Genoms verschlüsselt.

Um das Gen für den richtigen Rezeptor zu identifizieren, transformierten die Wissenschaftler die Blätter von jungen Tabakpflanzen (Nicotiana benthamiana) mit fünf besonders vielversprechenden Kandidatengenen. Zwar gehört auch N. benthamiana zu den Nachtschattengewächsen, allerdings ist hier die Produktion von Rezeptoren für Kälteschockproteine an das Alter der Pflanze gebunden. Junge Blätter zeigen noch keine Reaktion auf csp22.

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Diese Studie wurde im Rahmen des PLANT 2030-Projekts

Diese Studie wurde im Rahmen des PLANT 2030-Projekts "PATRIC" mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gefördert.

Nur einer der fünf Rezeptoren half den Tabakpflanzen dabei, csp22 zu erkennen und eine Abwehrreaktion einzuleiten: CORE. Der Rezeptor enthält 22 leucinreiche Wiederholungssequenzen und ähnelt damit stark dem EF-Rezeptor aus Kreuzblütlern (Brassicacea) sowie dem XA21-Rezeptor aus Reis, die beide jedoch andere MAMPs erkennen.

Jede Art hat eigene Verteidigungssysteme

Als weiteren Beweis für die Wirksamkeit von CORE transformierten die Wissenschaftler die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) mit dem Gen für den CORE-Rezeptor. Daraufhin wehrten die Pflanzen sich erfolgreich gegen das Bakterium Pseudomonas syringae pv. tomato, einen Pflanzenschädling. Diese Erkenntnis birgt Potential für die Züchtung resistenter Pflanzen. Denn oftmals sind PRRs sehr spezifisch für eine Art. Könnte man diese Rezeptoren von einer Art in eine andere einbringen, wüssten die Pflanzen sich möglicherweise besser gegen Schädlinge zu verteidigen.

Überraschend war für die Wissenschaftler vor allem die Tatsache, dass der CORE-Rezeptor ein bakterielles Protein erkennt, das sich normalerweise im Zellplasma, also im Inneren des Bakteriums, befindet. Da Kälteschockproteine jedoch in so großer Zahl in Bakterien vorkommen, findet man einige davon auch außerhalb der Zellen. Unklar ist noch, ob diese Proteine von toten Bakterien stammen oder in einem kontrollierten Prozess von lebenden Bakterien abgegeben werden.

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