Chromatinveränderungen aktivieren Verteidigungsgene

Wie ein Krebsmedikament hilft, die pflanzliche Abwehr besser zu verstehen

10.09.2018 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

An Erbsenpflanzen testeten Wissenschaftler, wie das humane Krebsmedikament Actinomycin D die Immunabwehr der Pflanze stärkt. (Bildquelle: © Pixabay/CC0)
An Erbsenpflanzen testeten Wissenschaftler, wie das humane Krebsmedikament Actinomycin D die Immunabwehr der Pflanze stärkt. (Bildquelle: © Pixabay/CC0)

In hohen Dosen verändert das Krebsmedikament Actinomycin D beim Menschen die DNA von Krebszellen. Das stoppt oder verlangsamt zumindest das Wachstum von Tumoren. Forscher entdeckten nun zufällig: Das Krebsmedikament aktiviert bei Pflanzen Abwehrmechanismen gegen Krankheitserreger. Behandelt werden Pflanzen in Zukunft aber trotzdem nicht mit Krebsmedikamenten.

Die Wirkung von humanen Krebsmedikamenten auf Pflanzen zu testen, mutet außergewöhnlich an. Das war auch nicht die ursprüngliche Absicht zweier Pflanzenforscher der Washington State University. Denn eigentlich suchten die beiden nach einer Substanz, mit der sich die RNA-Synthese von Pflanzen stoppen lässt. Dabei machten sie eine Entdeckung, die für die Pflanzenforschung sehr nützlich sein könnte. Der Reihe nach:

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Effekt verschiedener Konzentrationen von Actinomycin D auf Erbsengewebe: A = niedrigere, B = mittlere, C = höchste Konzentration des Medikaments.

Bildquelle: © Washington State University

„Wir arbeiteten eigentlich an der RNA-Synthese und erhielten die Information, dass Actinomycin D hier das Mittel der Wahl sei, um diesen Prozess in unseren Experimenten zu stoppen“, sagte Lee Hadwiger. Actinomycin D ist auch ein Zytostatikum zur Behandlung von Krebserkrankungen beim Menschen. Der Wirkstoff lagert sich so in den DNA-Doppelstrang ein, dass er nicht mehr von Enzymen geöffnet werden kann. Das Umschreiben von DNA in RNA und damit die Herstellung von Proteinen ist somit nicht mehr möglich.

Wirkung nur bei geringerer Dosis

Als die Forscher die RNA-Synthese von Erbsen-Pflanzen mit hohen Dosen von Actinomycin D hemmen wollten, geschah zunächst nichts. „Wir dachten, wir hätten etwas falsch gemacht, weil es überhaupt nicht funktioniert hat“, so Hadwiger. Aber als sie schließlich den Wirkstoff und weitere DNA-beeinträchtigende Medikamente in deutlich geringeren Konzentrationen verwendeten, passierte plötzlich etwas. Sie beobachteten zwei Phänomene, die auf unterschiedlichen Wirkmechanismen zurückgeführt werden konnten.

Actinomycin D schaltet pflanzliche Abwehr ein

Zuerst begannen die Pflanzen, größere Mengen einer antimikrobiellen Substanz namens Pisatin zu produzieren. Das ist ein bereits bekannter „Marker“ für die Wissenschaftler. Er zeigt an, dass sich das Abwehrsystem einer Pflanze eingeschaltet hat. Dann setzten die Wissenschaftler die behandelten Pflanzen Pilzinfektionen aus. Die mit Actinomycin D behandelten Pflanzen stoppten die Infektion innerhalb weniger Stunden, während die unbehandelten Pflanzen dem Pilz zum Opfer fielen.

Die Wissenschaftler hatten also zufällig entdeckt, dass ein humanes Krebsmedikament in niedrigen Dosen Pflanzen vor Pilzinfektionen schützen kann.

DNA-Schäden und Chromatin-Strukturveränderungen lösen pflanzliche Immunantwort aus

Lee Hadwiger erklärt die Beobachtungen folgendermaßen: „Actinomycin D fügt sich wahrscheinlich an zahlreichen Stellen im Pflanzengenom ein. Es induziert die Aktivierung von Pflanzenabwehrgenen, die wir als PR-Gene bezeichnen. Außerdem aktiviert Actinomycin D Gene für sekundäre Enzyme, die zum einen Pisatin, zum anderen ein antimykotisches Isoflavonoid herstellen.“

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Lee Hadwiger von der Washington State University.

Lee Hadwiger von der Washington State University.

Bildquelle: © Washington State University

Pisantin sei dabei für die Krankheitsresistenz kein wesentlicher Faktor, so Hadwiger, „denn das Erbsengewebe stoppt nach Gabe von Actinomycin D das Wachstum des Pathogens Fsph innerhalb von 6 Stunden. Aber erst nach 6 Stunden wird viel Pisatin produziert.“

Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass auch durch Infektions- und Entzündungskrankheiten bei Pflanzen oxidative DNA-Schäden und Chromatin-Strukturveränderungen entstehen. Auf diesen Reiz hin startet die Pflanze mit der Transkription von Verteidigungsgenen als Teil der natürlichen Resistenzantwort in Pflanzen. Dieser Mechanismus ist also Teil der angeborenen und adaptiven Immunität.

Keine Krebsmedikamente für Pflanzen - aber Mechanismus verstanden

Mit Krebsmedikamenten werden in Zukunft jedoch keine Pflanzen behandelt werden. „Wir haben diese Medikamente lediglich als Hilfsmittel benutzt, um zu verstehen, wie sich Pflanzen gegen Krankheitserreger wehren“, sagt Hadwiger. „Wir verstehen jetzt, wie diese Abwehrgene gezielt aktiviert werden können und nutzen dieses Wissen, um Krankheitsresistenzen gegen Pilzinfektionen und andere Krankheitserreger zu entwickeln.“

„In der Grundlagenforschung gilt Folgendes: Wenn man erst einmal die Funktionsweise oder Mechanismen von etwas versteht, kann man es auch in der Praxis anwenden, also entsprechende Strategien für die Pflanzenzüchtung entwickeln“, so Kollege Kiwamu Tanaka. „Wir glauben, dass unsere neuen Erkenntnisse in naher Zukunft helfen werden, Krankheitserreger bei Pflanzen besser bekämpfen zu können.“

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