Die Kosten des Widerstands

Resistenzen sind nicht zwangsläufig mit Fitness-Einbußen verbunden

18.08.2016 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Pathogene sind eine ständige Gefahr für Pflanzen, z. B. Bakterien wie Pseudomonas syringae, die auch Nutzpflanzen befallen und Krankheiten verursachen. (Bildquelle: © Chris Smart, NYSAES, Geneva NY/wikimedia.org; CC0 1.0)
Pathogene sind eine ständige Gefahr für Pflanzen, z. B. Bakterien wie Pseudomonas syringae, die auch Nutzpflanzen befallen und Krankheiten verursachen. (Bildquelle: © Chris Smart, NYSAES, Geneva NY/wikimedia.org; CC0 1.0)

Tragen Pflanzen Resistenzen gegen Krankheitserreger in sich, dann sind sie bei einer Infektion widerstandsfähiger. Diese Abwehr geht jedoch auf Kosten ihrer allgemeinen Fitness, da es Aufwand für den Organismus bedeutet, Abwehrmechanismen zu entwickeln. Eine aktuelle Studie konnte nun differenzieren und zeigen, dass sich nicht alle Resistenzgene negativ auf die Leistungsfähigkeit auswirken. Viel mehr hängt es von der Struktur der Gene ab und ob die Gene  noch weitere Funktionen kodieren.

Krankheitserreger (Pathogene) sind allgegenwärtig und eine ständige Gefahr für Pflanzen. Daher sind das Überleben und der Fortpflanzungserfolg einer Pflanze davon abhängig, wie diese sich gegen Infektionen zur Wehr zu setzen. Trotz der unbestrittenen Vorteile, die Resistenzen haben, zeigen Beobachtungen, dass in natürlichen Populationen sowohl krankheitsresistente als auch -anfällige Pflanzen existieren. Warum ist das so?

Man geht von hohen „Kosten“ für die Pflanzen aus

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Krankheitserrger und Pflanzen müssen sich ständig neu anpassen, um zu überleben. Dieser Wettlauf gegeneinander wird in Anlehnung an Lewis Carrolls Buch „Alice hinter den Spiegeln“ auch als „Red-Queen-Dynamik“ bezeichnet.

Krankheitserrger und Pflanzen müssen sich ständig neu anpassen, um zu überleben. Dieser Wettlauf gegeneinander wird in Anlehnung an Lewis Carrolls Buch „Alice hinter den Spiegeln“ auch als „Red-Queen-Dynamik“ bezeichnet.

Quelle: © John Tenniel/ wikimedia.org; public domain

Die Theorie besagt, dass die Evolution von Resistenzen mit einer Verteilung von Ressourcen zusammenhängt – die Pflanze benötigt für ihren Widerstand gegen Krankheiten Ressourcen, die wiederum für andere Eigenschaften wie z. B. die Fortpflanzung und damit der Fitness fehlen. Damit wären in Abwesenheit von Krankheiten anfälligere Pflanzen fitter, also für den konkreten Fall eines Nichtbefalls angepasster und daher in ihrer Vermehrung erfolgreicher, als ihre resistenten Nachbarn. Denn anfällige Pflanzen haben keine „Kosten“, benötigen also keine Ressourcen für Resistenzen und können ihre ganze Energie in andere Prozesse stecken.

Die Konkurrenz schläft nicht

Es kommt allerdings noch ein erschwerender Aspekt hinzu: Auch Krankheitserreger passen sich ständig an die Abwehrprozesse der Pflanzen an. Diese wechselseitige Anpassung wird Koevolution genannt. Um den Pathogenen überlegen zu sein, müssen Pflanzen sich also ebenfalls ständig anpassen. Der Wettlauf gegeneinander wird in Anlehnung an Lewis Carrolls Buch „Alice hinter den Spiegeln“ als „Red-Queen-Dynamik“ bezeichnet. Im Buch erklärt die Rote Königin Alice: „Hierzulande musst du so schnell rennen, wie du kannst, wenn du am gleichen Fleck bleiben willst.“ Es bedarf also viel Anstrengung, um beim Status-quo zu bleiben.

Resistenzgene haben ihren Preis

Studien an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana haben ergeben, dass zwei beispielhafte Resistenzgene (Rps5 und Rpm1) jeweils eine Reduktion der Fitness um 5-10 Prozent zur Folge haben. Pflanzen, die diese Resistenzen in sich tragen, sind, wenn gerade keine Krankheitserreger in der Nähe sind, also im Nachteil. Doch, wenn die Kosten für alle Resistenzgene so hoch sein sollten, warum gibt es immer noch circa 149 Resistenzgene im Genom der Modellpflanze, mit ihrem vergleichsweise kompakten Genom?

Nicht alle Resistenzgene beeinträchtigen die Fitness 

Das fragte sich ein Team von Wissenschaftlern und teste, welche Auswirkungen ein anderes Resistenzgen, das Rps2-Gen, auf Arabidopsis-Pflanzen hat. Dieses Gen liegt in mehreren Ausführungen (Allelen) vor. Allele, welche die Pflanzen vor dem Bakterium Pseudomonas syringae schützen und Allele in denen die Pflanze für den Krankheitserreger anfällig ist. Durch diese Konstellation unterschiedet sich das Rps2-Gen von den bis dato untersuchten Resistenzgenen Rps5 und Rpm1. Denn diese haben keine „anfälligen“ Allele mehr.

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In ihrer Studie verglichen Forscher Arabidopsis-Pflanzen, die das Resistenzgen Rps2 in sich trugen und entweder resistent gegen bestimmte Bakterien waren oder anfällig. Das Ergebnis: Die Fitness von resistenten Pflanzen ist nicht geringer als die von anfälligen, wenn keine Krankheiterreger in der Nähe sind.

In ihrer Studie verglichen Forscher Arabidopsis-Pflanzen, die das Resistenzgen Rps2 in sich trugen und entweder resistent gegen bestimmte Bakterien waren oder anfällig. Das Ergebnis: Die Fitness von resistenten Pflanzen ist nicht geringer als die von anfälligen, wenn keine Krankheiterreger in der Nähe sind.

Quelle: © sinitar/Fotolia.com

Die Forscher verglichen in ihrer Studie Arabidopsis-Pflanzen mit dem Rps2-Gen, die resistent waren mit denen, die das „anfällige“ Allel in sich trugen. Sie stellten fest, dass die Fitness von resistenten Pflanzen nicht geringer ist als die von anfälligen, wenn sie gesund, d. h. nicht mit einer Krankheit infiziert sind.

Warum gibt es dann überhaupt anfällige Allele?

Wenn dies so ist, warum haben sich die resistenten Allele des Gens im Laufe der Evolution nicht komplett durchsetzen können? Die Forscher vermuten, dass alle Genvarianten unter bestimmten Bedingungen Vorteile für die Pflanzen besitzen. Um dies zu untersuchen, schalteten die Forscher das Rps2-Gen künstlich aus. Diese „Knock-Out“-Pflanzen zeichneten sich - in Abwesenheit von Krankheitserregern - durch signifikant weniger Fitness aus, als die Pflanzen, bei denen das Gen, egal in welcher Ausführung aktiv war. Dies bestätigte ihre Vermutung, dass das Gen noch weitere Funktionen erfüllt. Ein Phänomen, das Pleiotropie genannt wird und weit verbreitet ist.

In weiterführenden Experimenten konnten die Forscher zum Beispiel zeigen, dass Rps2 die Genexpression anderer Gene beeinflusst. So ist das Gen ein negativer Regulator der pflanzlichen Stressabwehr. Zahlreiche Gene zur Stressabwehr der Pflanzen unterliegen der Regulation des Proteins RPS2. Wird das Gen also exprimiert, werden andere Stressgene herunter reguliert, d. h. in ihrer Expression reduziert. Der Fitnessvorteil, der durch das Gen entsteht, scheint also durch diese Funktion zu entstehen, die unabhängig von der allelen Zustandsform des Gens ist, schlussfolgern die Wissenschaftler. Damit untermauert die Studie, dass Abwehrprozesse an der Fitness zehren. Betrachtet man jedoch die Funktion der einzelnen Resistenzgene genauer, ergibt sich ein komplexeres Bild.

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