Der heilige Gral der Pflanzenforschung

Menschen können durch Impfungen vor Krankheiten geschützt werden. Bei Pflanzen ist das bisher nicht möglich. Aber neue Erkenntnisse lassen diese Option in greifbare Nähe rücken. Ein Team der Universität Münster hat festgestellt, dass Pflanzen durch einen aus Pilzen stammenden Vielfachzucker „immunisiert“ werden können. Bei einem Befall reagieren sie schneller und stärker auf Krankheitserreger. Ausschlaggebend dafür ist das spezifische chemische Muster dieser Chitosane. Für die Forschung auf diesem Gebiet könnte die Studie ein Durchbruch sein.

Auch Pflanzen haben natürliche Schutzmechanismen, die ähnliche Reaktionsmechanismen in Gang setzen können wie unser Immunsystem. Die pflanzliche Immunität gegen Krankheiten, Schädlinge und abiotische Stressfaktoren gezielt zu stärken, ist so etwas wie der Heilige Gral der Pflanzenforschung. Das Ziel sind resistente Pflanzen, die sich auch an wechselnde oder ungünstige Umweltbedingungen optimal anpassen können.

Erkennen und bekämpfen

Der Erfolg einer Pathogenabwehr hängt davon ab, wie schnell die Pflanze auf die Gefahr reagiert und die angeborenen Abwehrmechanismen aktiviert. Pathogene erkennt die Pflanze an sogenannten „Pathogen-Associated Molecular Patterns“ (PAMPs). Es sind chemische Substanzen, die für Mikroorganismen typisch sind (Elicitoren) und der Pflanze das Startsignal zur Verteidigung geben.

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Einer dieser Stoffe ist Chitin, das beispielsweise in den Zellwänden von Pilzen und Insektenpanzern vorkommt. Es ist eines der am häufigsten vorkommenden Biopolymere. Um die Verteidigungsmaschinerie der Pflanze zu täuschen, können Pilze einige Bausteine des Chitins modifizieren. Heraus kommen Vielfachzucker aus der Gruppe der Chitosane, die von Pflanzen selten als Pathogensignal erkannt werden. Das bietet den Pilzen eine Einfalltür.

Vielversprechende Biopolymere

Chitosane sind aus unterschiedlich langen Ketten aus Einfachzuckern zusammengesetzt. Sie unterscheiden sich in der Länge und der Anzahl sowie Anordnung von Essigsäureresten auf diesen Ketten.

Das Interessante: Chitosane sind mit einer Vielzahl von biologischen Aktivitäten verbunden. Chemiker können sie seit über 20 Jahren synthetisch herstellen. So haben Firmen bereits Produkte auf den Markt gebracht, mit denen Pflanzen besser wachsen oder vor Hitze- und Trockenstress geschützt werden. Auch in der Tierernährung und der Humanmedizin kommen Chitosane zum Einsatz – als antimikrobielle und immunstimulierende Zusatzstoffe für Futtermittel oder in Verbänden zur besseren Wundheilung.

„Es gibt sehr viele verschiedene Chitosane und für jede Anwendung muss genau das richtige Mittel gefunden werden, damit es wirkt. Bislang wussten wir noch viel zu wenig über ihre Wirkung und wie sie effektiv eingesetzt werden können. Mit unserer Forschung sind wir diesem Verständnis nun ein ganzes Stück nähergekommen“, erklärt Studienleiter Prof. Bruno Moerschbacher von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU).

Die Chitosan-Hypothese

Man weiß schon länger, dass die Kettenlänge und die Anzahl der Essigsäurereste die biologische Aktivität beeinflussen. Schon vor 15 Jahren hatten die Biologen der Uni Münster vermutet, dass auch die Anordnung der Essigsäurereste (Acetylgruppen) auf der Zuckerkette die Bioaktivität von Chitosanen entscheidend bestimmen könnte. Aber sie konnten diese Hypothese nicht überprüfen, weil man keine Chitosane mit definierten Mustern herstellen konnte. Die Anordnung war mit den zur Verfügung stehenden Mitteln immer zufällig.

Vor zehn Jahren stellten sie dann fest, dass die biologische Aktivität der Chitosane von dem für ihre Herstellung verwendeten Enzym abhängt. Interessanterweise konnten bakterielle Chitosanasen die Chitosane zu immunstimulierenden Wirkstoffen umwandeln. Bakterielle Chitinase sind dazu nicht in der Lage.

Kleine Moleküle für systematische Tests

Nun konnten sie Enzyme und deren Wirkung auf die Struktur der Chitosane untersuchen. Sie identifizierten kleine Chitosan-Moleküle (Tetramere), die kleinsten aktiven Moleküle, und charakterisierten derer strukturelle Unterschiede – je nach verwendeten Synthese-Enzym. Eingesetzt haben sie dabei unterschiedliche Kombinationen von Enzymen, die in Chitosan-haltigen Pilzen an der Biosynthese von Chitosanen beteiligt sind.

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Alle Moleküle hatten jeweils nur einen Essigsäurerest. So war es möglich, die Position auf der Zuckerkette direkt mit einer biologischen Funktion zu verknüpfen. Insgesamt gab es vier verschiedene Möglichkeiten, wie der Essigsäurerest positioniert sein konnte. Dann testeten sie systematisch, welches der produzierten Tetramere bei Pflanzen am wirksamsten war.

Dafür behandelten sie Reiszellen in einer Zellkultur zuerst mit den Chitosan-Tetrameren und anschließend mit pathogenen Elicitoren. Das Team überprüfte daraufhin, wie viel Wasserstoffperoxid (H₂O₂) die Zellen produzierten. Das ist ein Zeichen, dass die Pflanze ihre Verteidigung gestartet hat. Werden schnell viele dieser sogenannten reaktiven Sauerstoffspezies freigesetzt, bezeichnet man das auch als „oxidativen Burst“. Damit werden Pathogene an der Ausbreitung gehindert und weitere Abwehrmaßnahmen eingeleitet.

Auf die Lage kommt es an!

Das Forschungsteam entdeckte, dass Moleküle, die ihre Acetylgruppe an der ersten Stelle der Zuckerkette – der nichtreduzierenden Endeinheit – tragen, die höchste stimulierende Aktivität aufweisen. Die anderen drei Tetramere waren deutlich weniger aktiv oder inaktiv.

Dies ist der erste experimentelle Beweis dafür, dass sich auch die Lage der Acetylgruppe auf die Bioaktivität von Chitosanen auswirkt. Es ist also nicht nur entscheidend, wie lang ein Molekül ist und wie viele Essigsäurereste es besitzt, sondern auch wo genau sich die Essigsäurereste befinden.

Abwehrkräfte gezielt stärken

Pflanzen gezielt auf Krankheitserreger und andere Stressfaktoren vorzubereiten, wird auch „Priming“ genannt. Die Behandlung mit solchen Stoffen kann die Pflanzen in einen „Zustand erhöhter Wachsamkeit“ versetzen. Kommt dann der Ernstfall, sind die Pflanzen schneller und viel stärker in ihrer Immunantwort. Mit den neuen Erkenntnissen wollen die Forscher nun eine Art „Impfung“ für Pflanzen entwickeln.

Die Beteiligten sind sich sicher, dass das nur der Anfang ist. Das Team um Bruno Moerschbacher steht bereits mit Dermatologen und anderen medizinischen Experten im Austausch, um die Erkenntnisse auch für die Humanmedizin nutzen zu können.