Der Balanceakt bei der Pathogenabwehr

Wie Pflanzen ihre hyperaktiven Verteidigungsproteine in Schach halten

19.10.2018 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Pflanzen verteidigen sich gegen Krankheitserreger, indem sie eine Reihe von Immunmechanismen aktivieren. (Bildquelle: © Alinsa / Fotolia.com)
Pflanzen verteidigen sich gegen Krankheitserreger, indem sie eine Reihe von Immunmechanismen aktivieren. (Bildquelle: © Alinsa / Fotolia.com)

Eine wohldosierte Immunabwehr ist essentiell: Eine zu schwache Abwehr lässt Pathogene überhandnehmen, eine zu starke Immunreaktion schädigt die Pflanze selbst. Wissenschaftler konnten nun zeigen, wie Pflanzen mit diesem Problem durch zusätzliche Regelungssysteme umgehen.

Wird eine Pflanze von einem Krankheitserreger befallen, muss sie schnell reagieren. Pflanzen verteidigen sich gegen Krankheitserreger, indem sie eine Reihe von Immunmechanismen aktivieren. Die große Herausforderung dabei: Das Abwehrsystem muss schnell zünden und den Angreifer effektiv bekämpfen. Aber eine übermäßige Abwehrreaktion reduziert das Pflanzenwachstum oder schädigt sogar pflanzeneigene Zellen. Wie findet die Pflanze dabei die richtige Balance?

ACD6 reguliert Zelltod und Abwehr

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Bei einem Angriff von Pathogenen muss die Pflanze sich rasch wehren. Ist das Immunsystem jedoch auch in ruhigen Zeiten übermäßig aktiv, schadet das dem pflanzlichen Wachstum. Wissenschaftler konnten zeigen, wie das pflanzliche Immunsystem in Balance bleibt. Als Modelpflanze diente die Ackerschmalwand, Arabidopsis thaliana.

Bei einem Angriff von Pathogenen muss die Pflanze sich rasch wehren. Ist das Immunsystem jedoch auch in ruhigen Zeiten übermäßig aktiv, schadet das dem pflanzlichen Wachstum. Wissenschaftler konnten zeigen, wie das pflanzliche Immunsystem in Balance bleibt. Als Modelpflanze diente die Ackerschmalwand, Arabidopsis thaliana.

Quelle: © iStock.com/dra_schwartz

Am Erkennungsprozess von Pathogenen sind unter anderem NLR-Immunrezeptoren beteiligt. NLR steht für „Nukleotid-Bindungsstelle Leucin reicher Repeat“. Neben spezialisierten NLRs, die oft eine starke spezifische Immunreaktion gegen eine ganz bestimmte Erregerrasse erzeugen (eine sogenannte qualitative Resistenz), nutzen Pflanzen verschiedene weitere Gene für quantitative Resistenzen. Hier kommen unterschiedliche und eher unspezifische Resistenzmechanismen zum Einsatz, die nicht nur gegen eine bestimmte Pathogenrasse gerichtet sind.

Ein solches Gen ist ACCELERATED CELL DEATH 6 (ACD6).  Sein Genlocus weist eine umfangreiche Kopienanzahl des Gens und Sequenzvariation in Wildpopulationen von Arabidopsis auf. ACD6 kodiert für ein transmembranes Protein, das den Zelltod infizierter Zellen zur Abwehr von Pathogenen z. B. über das Immunhormon Salicylsäure (SA) stimuliert.

ACD6 muss ausgebremst werden, sonst drohen Schäden

ACD6 ist natürlicherweise hyperaktiv. Wenn es nicht durch andere Regelkreise ausgebremst wird, führt es zum sogenannten Autoimmunsyndrom, das sich in starker Nekrose und reduziertem Wachstum der Pflanze äußert. Wissenschaftler haben nun entdeckt, wodurch ACD6 in Schach gehalten wird. Sie identifizierten insgesamt sechs Regionen im Genom von Arabidopsis, deren Genprodukte die Aktivität von ACD6 beeinflussen können. Eines dieser modulierenden Proteine ist SUPPRESSOR OF NPR1-1, CONSTITUTIVE 1 (SNC1), ein bekannter Immunrezeptor, der sich in einem hochpolymorphen NLR-Gen-Cluster befindet.

Kreuzungen bringen immer wieder neue Konstellationen hervor

Die SNC1-Variante, die die ACD6-Aktivität dämpft, ist in der A. thaliana-Population weit verbreitet. Das deutet darauf hin, dass bei natürlichen Kreuzungen neue Kombinationen der hyperaktiven ACD6-Variante und dieser antagonistischen SNC1-Variante entstehen können. Da beide Gene jedoch nicht miteinander verbunden sind, wird eine Auskreuzung im Gegenzug auch immer wieder Individuen mit ungedämpfte ACD6-Varianten hervorbringen. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass die allelische Vielfalt bei SNC1 zur Aufrechterhaltung der hyperaktiven ACD6-Variante der natürlichen A. thaliana-Populationen beiträgt.

Die Arbeit dient in erster Linie für ein besseres Verständnis der pflanzlichen Abwehr, die auf vielfältigen Mechanismen beruht. Viele Gene, deren Interaktionen und damit verbundene Regelungsnetzwerke sind bei Pflanzen – wie übrigens auch beim Menschen – noch wenig erforscht. Nach und nach, wie ein Puzzlespiel, werden das Gesamtbild der Genfunktionen und ihr Zusammenspiel deutlicher sichtbar.

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