Wissenschaft schlägt Hexenkraut

Wichtiger Rezeptor bei parasitärer Pflanze Striga hermonthica entdeckt

22.10.2015 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Die lieblich anmutende Pflanze der Gattung Striga kann auf Feldern mit Nutzpflanzen verheerende Schäden anrichten. (Bildquelle: © International Institute of Tropical Agriculture/flickr.com; CC BY-NC 2.0)
Die lieblich anmutende Pflanze der Gattung Striga kann auf Feldern mit Nutzpflanzen verheerende Schäden anrichten. (Bildquelle: © International Institute of Tropical Agriculture/flickr.com; CC BY-NC 2.0)

Striga Pflanzen zerstören einen Großteil der Ernten in Afrika. Der Parasit wird in einigen Regionen als der größte Schadfaktor bezeichnet. Bisher war dem raffinierten „Hexenkraut“ nicht beizukommen. Wissenschaftler haben nun den Rezeptor entdeckt, der das Signal zum Auskeimen der Pflanzen empfängt – ein idealer Ansatzpunkt für die künftige Striga-Bekämpfung.

Striga ist eine Pflanzengattung aus der Familie der Sommerwurzgewächse mit über 30 verschiedenen Arten. Alleine Striga hermonthica sorgt in Afrika für Ernteverluste im Wert von 10 Milliarden US-Dollar pro Jahr. Südlich der Sahara hat Striga bereits zwei Drittel des Ackerlandes eingenommen und gefährdet die Nahrungsmittelsicherheit von etwa 100 Millionen Menschen in 25 verschiedenen Ländern. Auch in Asien ist die Pflanze bereits zu einem landwirtschaftlichen Problem avanciert.

Wie verhext

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Striga Pflanzen schädigen beispielsweise wichtigen Kulturpflanzen wie Reis, Mais oder Hirse.

Striga Pflanzen schädigen beispielsweise wichtigen Kulturpflanzen wie Reis, Mais oder Hirse.

Bildquelle: © wuttichok - Fotolia.com

Noch bevor das junge Striga-Pflänzchen nach dem Aufkeimen die Erde durchbricht, hat es bereits verheerende Schäden bei wichtigen Kulturpflanzen wie Reis, Mais oder Hirse angerichtet. Daher wird die unscheinbare, pink blühende Pflanze, die in den Tropen und Subtropen wächst,  auch gerne als „Hexenkraut“ bezeichnet.

Strigolaktone: Phytohormone und Startsignal für Striga

Eines ist sicher: Striga muss über hochsensible Rezeptoren für Strigolaktone verfügen. Denn im Boden kommen Strigolaktone nur in äußerst geringen Mengen vor, die aber offenbar von den Striga-Samen dennoch wahrgenommen werden. Strigolaktone sind Signalmoleküle, die innerhalb der Pflanze an deren Wachstum und Entwicklung beteiligt sind. Neben ihrer Rolle als Phytohormon werden Strigolaktone auch von den Wurzeln in den Boden abgegeben. Dort sollen sie bestimmte Pilze zu den Wurzeln locken (Mykorrhizierung), die die pflanzliche Nährstoffversorgung verbessern.

Parasitäre Pflanzen wie Striga nutzen jedoch ebenfalls Strigolaktone, um Wirtspflanzen in ihrer Umgebung aufzuspüren. Empfangen sie ein Signal, beginnen die Striga-Samen im Boden zu keimen. Die aufkeimenden Pflanzen heften sich an die Wurzeln der Wirtspflanzen und zapfen dort wichtige Nährstoffe für ihre eigene Entwicklung ab. Die Wirtspflanze wird durch die schlechte Nährstoffversorgung in ihrem Wachstum stark eingeschränkt, bildet keine oder verkümmerte Früchte oder stirbt ganz ab. Das Verheerende: Jede Striga-Pflanze kann etwa 100.000 neue Samen produzieren, die so lange in der Erde verweilen, bis wieder ein geeigneter Wirt in der Nähe wurzelt.

Signalfluss erforschen

Pflanzenzüchter arbeiten zwar daran, Striga-resistente Pflanzen zu finden und in diese züchterisch zu nutzen, aber bisher nur mit hohem Zeitaufwand und mäßigem Erfolg. Die Wissenschaftler haben sich nun auf die Fahnen geschrieben, die Signalwege der Strigolaktone zu erforschen, um das „Hexenkraut“ an dieser Stelle unschädlich zu machen. Die Untersuchungen hierfür gestalteten sich schwierig. Striga-Arten wachsen im Labor nicht gut und lassen sich daher schlecht unter standardisierten Bedingungen erforschen.

Mit synthetisch hergestellten Strigolaktonen, die bei ihrem Abbau fluoreszieren, schufen Wissenschaftler zunächst eine Sonde. Diese leuchtet immer dann, wenn der Rezeptor für Strigolaktone in den Striga-Samen aktiv ist. Damit kamen sie dem Rezeptor schon einmal näher.

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3D-Modell eines Rezeptors, den die Striga Pflanze nutzt, um Strigolaktone von anderer Pflanzen im Boden zu erkennen.

Bildquelle: © Alexei Savchenko/ U of T Engineering

Große Bindungstasche für höhere Rezeptor-Sensitivität

Studien zeigten, dass die sogenannten HTL-Gene in Striga-Pflanzen maßgeblich am Empfang eines Strigolaktone-Signals beteiligt sind. Doch woher kommt die hohe Empfindlichkeit der Striga-Rezeptoren gegenüber geringsten Strigolakton-Konzentrationen im Boden? Die Forscher konnten zeigen, dass die parasitären Pflanzen über zusätzliche HTL-Gene verfügen, die sich schneller als üblich entwickeln. Noch dazu codieren diese Gene für einen Rezeptor mit einer viel größeren Bindungstasche für Strigolaktone als die HTL-Rezeptoren in der Modellpflanze Arabidopsis, was ihnen mutmaßlich auch eine höhere Empfindlichkeit verleiht.

Die Studiendaten zeigten außerdem, dass im Laufe der Evolution durch die Verdopplung eines ursprünglichen HTL-Gens zwei grundsätzlich verschiedene Strigolaktone-Rezeptoren entstanden sind: Zum einen der sogenannte D14-Rezeptor, den alle Pflanzen besitzen und zum Wachstum nutzen. Zum anderen die umfunktionierten HTL-Rezeptoren, die parasitäre Pflanzen wie Striga nutzen, um zum richtigen Zeitpunkt zu keimen.

Grundlagen zur Gegenwehr geschaffen

Mit diesen Informationen zu den Striga-Rezeptoren haben die Wissenschaftler eine wichtige Grundlage geschaffen, um dem zerstörerischen „Hexenkraut“ Herr zu werden. So könnten beispielsweise Felder in Zukunft mit Substanzen besprüht werden, die das Auskeimen der Striga-Samen bewirken – natürlich dann, wenn noch keine Nutzpflanzen auf den Feldern wachsen. Die Striga-Pflanzen würden keimen und noch vor der Samenbildung absterben, weil sie nicht mit Nährstoffen versorgt werden.

Auch transgene Arabidopsis-Pflanzen stehen auf dem Plan der Forscher. An ihnen sollen Züchter testen, ob genetisch veränderte Pflanzen, die andere Strigolaktone bilden, die „Hexenkraut“-Plage eventuell eindämmen können. Eine schnelle Lösung ist damit zwar auch noch nicht in Sicht, aber die Basis für eine langfristige Verbesserung der Situation der betroffenen Menschen wurde geschaffen.

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