Neues zum Langzeitschutz von Pflanzen

Die Rolle des Indol-Metabolismus bei systemisch erworbenen Resistenzen

09.02.2016 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Auf einen Befall durch Pseudomonas syringae Bakterien  reagieren Pflanzen in uninfizierten Teilen mit einer Erhöhung der Resistenz. (Bildquelle: © Alan Collmer/ Cornell University/ wikimedia.org/ CC0)
Auf einen Befall durch Pseudomonas syringae Bakterien reagieren Pflanzen in uninfizierten Teilen mit einer Erhöhung der Resistenz. (Bildquelle: © Alan Collmer/ Cornell University/ wikimedia.org/ CC0)

Obwohl Pflanzen keine Antikörper besitzen, können sie auf Infektionen durch Krankheitserreger mit einer Art Immunantwort reagieren, die systemisch erworbene Resistenz. Deutsche Forscher haben nun einen weiteren Baustein dieses Prozesses untersucht, den Indol-Metabolismus. Neue Erkenntnisse, die zum Vorteil der Landwirtschaft genutzt werden können. Ein zentrales Anliegen der Pflanzenforschung.

Krankheitserreger, die es auf Pflanzen abgesehen haben, sind in der Landwirtschaft gefürchtet. Sie breiten sich in kürzester Zeit rasant aus und verursachen massive Ernteverluste. Unbestreitbar stellen Pflanzenkrankheiten eine ernste und allgegenwärtige Bedrohung für die globale Ernährungsversorgung dar. Mit der Erforschung des Verteidigungssystems von Pflanzen leistet die Pflanzenforschung daher einen wichtigen Beitrag zur Ernährungssicherheit. Sie öffnet Türen zu neuen Möglichkeiten, Pflanzen im Kampf gegen Krankheitserreger zu unterstützen. Nicht mit der Entwicklung neuer Pestizide, sondern durch gezielte Stärkung der pflanzeneigenen Verteidigung. Hierzu stellte kürzlich ein Team des Forschungsexzellenzclusters CEPLAS seine Ergebnisse zur systemisch erworbene Resistenzen, kurz SAR (für engl. systemic acquired resistance) vor.

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Anhand von Arabidopsispflanzen untersuchten die Forscher, wie die Indolkonzentration nach einem lokalen Befall durch den Erreger im Zuge der Erwerbung einer systemischen Resistenz ansteigt.

Anhand von Arabidopsispflanzen untersuchten die Forscher, wie die Indolkonzentration nach einem lokalen Befall durch den Erreger im Zuge der Erwerbung einer systemischen Resistenz ansteigt.

Bildquelle: © Claudia Vojta/ MPIZ / wikimedia.org/ CC BY-SA 2.0 de

Können Pflanzen immun werden?

Ergänzend zu Maßnahmen, die Schädlingen das Eindringen bzw. Wachstum erschweren sollen, reagieren Pflanzen im Nachgang auf einen lokalen Befall von Krankheitserregern mit einer Erhöhung ihrer Resistenz. Nicht nur an den infizierten Stellen, sondern in der gesamten Pflanze. Während um den Infektionsort Zellen absterben (Apoptose), eine Ausbreitung verhindern, verbreiten sich Signalstoffe, die zur allgemeinen Erhöhung der Resistenz führen. Häufig richtet sie sich gleich gegen ein breites Spektrum möglicher Krankheitserreger. Man kann die für den Gesamtorganismus (systemisch) erworbene Resistenz sinngemäß als pflanzliches Pendant zur Immunität bei Wirtbeltieren sehen.

Anhand von Arabidopsispflanzen, die mit Bakterien der Gattung Pseudomonas syringae infiziert wurden, haben die Forscher einen weiteren Baustein dieses Mechanismus identifiziert: den Indol-Stoffwechsel (Metabolismus). Indole bilden eine eigene Gruppe chemischer Substanzen, die in der Natur häufig als grundlegende Strukturelemente verschiedener Verbindungen vorkommen, z.B. von Alkaloide oder Aminosäuren.

Neues Element der Resistenzbildung

Wie es scheint, sind sie in die Entstehung systemischer Resistenzen involviert. Denn überall dort, wo die Forscher einen Anstieg von Indol-Verbindungen beobachteten, erhöhte sich nachweislich die Resistenz. Allerdings nicht gegen den ursprünglichen bakteriellen Eindringling Pseudomonas syringae, dafür aber, so vermuten sie, gegen eine Reihe anderer Pathogene, z.B. Pilze. Die Forscher betonen aber, dass es noch zu früh sei, Aussagen über die Spezifität und Breite der Resistenz zu treffen. Ihnen ging es zunächst darum, die Beteiligung des Indol-Metabolismus im Kontext der systemisch erworbenen Resistenz zu studieren.

Ihre Messungen ergaben, dass der Indol-Stoffwechsel in Folge eines bakteriellen Befalls angekurbelt wird, die Konzentration von 23 verschiedenen Indol-Verbindungen bzw. Stoffwechselprodukten konstant ansteigt. Zunächst am Infektionsort, anschließend auch in den anderen Pflanzenteilen.

An erster Stelle stehen dabei Glucobrassicin (Indolylmethylglucosinolat), Indol-3-Carboxylsäure und Camalexin. Allesamt chemische Verbindungen, die wie bereits bewiesen an der Pflanzenabwehr beteiligt sind. Einerseits indem sie direkt antibakteriell oder entgiftend wirken, andererseits als Ausgangsstoff für weitere chemische Verteidigungsstoffe dienen.

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Würde es gelingen, die pflanzeneigene Verteidigung zu stärken, könnte möglicherweise der Pestizideinsatz reduziert werden.

Würde es gelingen, die pflanzeneigene Verteidigung zu stärken, könnte möglicherweise der Pestizideinsatz reduziert werden.

Bildquelle: © Roger Kidd/ wikimediao.rg/ CC BY-SA 2.0

Ursache oder Folge?

Weitere Analysen zeigten, dass die Ankurbelung des Indol-Metabolismus als Folge bzw. Konsequenz der systemischen Resistenz betrachtet werden muss und nicht umgekehrt. Hier kommen zwei alte Bekannte ins Spiel, die die Koordination in der Gesamtpflanze maßgeblich steuern: die beiden Signalstoffe Salicyl- und Pipecolinsäure.

Grundlage für neue Strategien

Mit ihrer Entdeckung vermitteln die Wissenschaftler neue Einblicke in die Resistenzbildung von Pflanzen und geben Anstöße für weitere Forschungsprojekte. Nach wie vor gilt es, mehr über die Prozesse, Mechanismen und Gesetze hinter der Entstehung systemischer Resistenzen herauszufinden. Hoffnung und Ziel ist, das Wissen strategisch zu nutzen. Für die Anwendung im Nutzpflanzenbau ist diese Form des Pflanzenschutzes attraktiv, da Pflanzen für diese Form der Abwehr relativ wenig Ressourcen benötigen, wodurch Erträge nicht negativ beeinflusst werden.

Weiterer positiver Nebeneffekt wäre, dass sich der Einsatz chemischer Pflanzenschutzmitte drosseln ließe. Frühere Studien legen zudem nahe, dass Pflanzen eine Art epigenetisches Abwehrgedächtnis besitzen. Demnach bestehe die Möglichkeit, dass Pflanzen systemisch erworbene Resistenzen an ihre Nachkommen weitergeben können. Dass mit der Entschlüsselung der Resistenzmechanismen der Wettlauf zwischen Pathogen und Pflanze aber nicht zu Ende ist, wissen Forscher. Denn es ist immer nur eine Frage der Zeit, bis Pathogene neue Wege finden, um die scheinbar sicherste Abwehr zu knacken.

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