Wie Pflanzen schädliche Bakterien erkennen

Dass Pflanzen schädliche, Gram-negative Bakterien erkennen können, ist schon längere Zeit bekannt. Unklar war bisher, wie sie das machen. Diese Frage konnten Wissenschaftler nun aufklären. Mit diesem Wissen lassen sich auch widerstandsfähigere Pflanzen erzeugen.

Pathogene Bakterien befallen nicht nur Menschen und Tiere, sondern auch Pflanzen. Bei wichtigen Kulturpflanzen wie Tomaten, Kohlgewächsen und Reis kann das zu beträchtlichen Ernteeinbußen führen. Doch Pflanzen sind bakteriellen Angriffen nicht schutzlos ausgeliefert. Wie bei Menschen und Tieren sorgt auch bei Pflanzen ein natürliches Immunsystem dafür, pathogene Bakterien möglichst effizient abzuwehren.

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Lipopolysaccharide als Erkennungsmerkmal

Um gute und schädliche Organismen voneinander zu unterscheiden, erkennen verschiedene Immunsensoren dabei Substanzen, die nur in bestimmten Mikroorganismen vorkommen. Zu diesen Substanzen gehören beispielsweise Lipopolysaccharide, die auch als Endotoxin bezeichnet werden. Sie bilden den Hauptbestandteil der Außenhülle von Gram-negativen, bakteriellen Krankheitserregern. In Säugetieren erkennt der „Toll-Like Receptor 4“ beispielsweise Lipopolysaccharide. Lipopolysaccharide bestehen aus drei miteinander verbundenen Teilbereichen: dem Lipid A, der Kernregion und dem Polysaccharid.

Erkennen: Ja, aber mit welchem Sensor?

Da auch Pflanzen auf Lipopolysaccharide mit einer Immunantwort reagieren, lag die Vermutung nahe, dass sie auch einen Immunsensor für diese Substanzen besitzen. Identifizieren konnte man diesen aber bisher nicht. Ein Wissenschaftler-Team von der Technischen Universität München (TUM), dem Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie in Halle (IPB) und dem Leibniz-Zentrum für Medizin und Biowissenschaften in Borstel hat nun den ersten Immunsensor für Lipopolysaccharid in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) beschrieben.

LORE erkennt Lipopolysaccharide

LORE („LipoOligosaccharide-specific Reduced Elicitation“) heißt das Protein, das in Arabidopsis Lipopolysaccharide erkennen kann und dann die Immunabwehr der Pflanze aktiviert. Dabei handelt es sich um einen Rezeptor, einen Proteinkomplex, der sich von der Außenseite der Zelle durch die Zellmembran hindurch bis ins Innere der Zelle erstreckt. Doch LORE ist keine einfache Kopie eines tierischen Lipopolysaccharid-Sensors. Die beiden Sensoren unterscheiden sich grundsätzlich voneinander. Das legt die Vermutung nahe, dass das Prinzip der Polysaccharid-Erkennung der Außenhülle der Bakterien im Laufe der Evolution zweimal unabhängig voneinander entwickelt wurde.

Lipid A reicht zur Erkennung aus

Einen wichtigen Punkt hat LORE allerdings mit tierischen Lipopolysaccharid-Sensoren gemeinsam: Beide erkennen denselben Bestandteil des Lipopolysaccharids, das Lipid A. Das zeigten Versuche mit dem Lipid A aus Pseudomonas-Lipopolysaccharid. Lipid A kann bei Menschen und Säugetieren zu einer überschießenden Immunantwort mit lebensbedrohlichen Komplikationen, der Sepsis und dem septischen Schock, führen.

Warum der Sensor nicht schon viel früher entdeckt wurde, lässt sich einfach erklären: „Endotoxin“ ist kein definiertes Molekül, das sich einfach im Labor nachbauen lässt, sondern ein komplexes Gemisch aus ähnlichen Lipopolysaccharid-Molekülen. Für ihre Versuche mussten die Wissenschaftler die Moleküle erst analysieren, aufreinigen und chemisch auftrennen. Dass LORE tatsächlich der richtige Rezeptor zur Lipopolysaccharid-Erkennung ist, zeigte sich, als die Wissenschaftler Arabidopsis-Pflanzen mit dem Gram-negativen Bakterium Pseudomonas syringae infizierten. Ohne LORE waren die Pflanzen dem Bakterium schutzlos ausgeliefert.

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Nur bei Kreuzblütlern

Interessanterweise besitzen nicht alle Pflanzen den Immunsensor LORE, sondern ausschließlich Kreuzblütler (Brassicaceae) – das legen phylogenetische Analysen von LORE-verwandten Proteinen nahe. Zu den Kreuzblütlern gehören neben Arabidopsis wichtige Kulturpflanzen wie Kohlgewächse, Senf und Raps. Doch der Abwehr-Rezeptor lässt sich offenbar auf andere Pflanzen übertragen. Als die Wissenschaftler Tabakpflanzen so veränderten, dass sie vorübergehend das Protein LORE herstellten, waren auch sie in dieser Zeit in der Lage, Lipopolysaccharide zu erkennen.

Nützliches Forschungswerkzeug und Tor zu abwehrstarken Pflanzen

Der neu entdeckte Sensor könnte einerseits als Forschungswerkzeug dienen, mit dem die Erkennung von Lipopolysacchariden näher untersucht werden kann. Langfristig wollen die Wissenschaftler mit Hilfe von LORE Pflanzen mit einer verbesserten Resistenz gegen bakterielle Erreger erzeugen, die ohne den Einsatz von Pflanzenschutzmitteln zu stabilen Ernteerträgen führen.

Und noch weiter: Da LORE sogar das Lipopolysaccharid des humanen Pathogens Pseudomonas aeruginosa erkannte, könnte der Erkennungsmechanismus von Lipopolysacchariden durch Pflanzen auch neue Wege aufzeigen, wie sich bakterielle Infektionen besser bekämpfen und Komplikationen wie Blutvergiftungen vermeiden lassen.