Gestärkte Kartoffel

Ein Teil eines Proteins, der in vielen Mikrobengruppen vertreten ist, löst in einigen zweikeimblättrigen Pflanzen eine Immunreaktion aus. Der Rezeptor, der dieses Eiweiß erkennt, ist dagegen selten. Ihn identifizierten Wissenschaftler in der Ackerschmalwand (Arabidposis thaliana) und transferierten diesen in die Kartoffelpflanze – mit Erfolg.

Pflanzen wehren sich gegen Mikroben, indem sie deren spezialisierte Oberflächenstrukturen frühzeitig erkennen und daraufhin eine Abwehrreaktion initiieren. Die Membran jeder Zelle ist mit spezialisierten Rezeptoren ausgestattet, die diese sogenannten MAMPs an sich binden und daraufhin eine Reaktion im Zellinneren veranlassen. Pflanzenarten haben unterschiedliche Rezeptoren und sind deshalb gegen (unterschiedlich) viele verschiedene Pathogene resistent.

Die MAMPs sind elementare Bausteine von Proteinen, beispielsweise ein Fragment des Proteins Flagellin im Flagellum von Bakterien. Ein klarer Vorteil für die Pflanze: Besitzt sie den Rezeptor, der dieses Flagellin-Fragment erkennt, kann sie alle Bakterienarten erkennen, die ein Flagellum haben. Ein Teil der Erforschung des pflanzlichen Immunsystems konzentriert sich deshalb darauf, neue Rezeptoren zu entdecken.

Viele Pathogene, ein Rezeptor

#####1#####

Bisher war kein MAMP bekannt, das gemeinsam in den Gruppen der Bakterien, Oomyceten (Eipilzen) und Pilzen vorkommt. Doch kürzlich identifizierten Wissenschaftler den Bestandteil eines Gifts, den alle drei Organismengruppen produzieren, als ein solches, ungewöhnlich weit verbreitetes Erkennungsmuster: das Proteinfragment nlp20. Nur wenige zweikeimblättrige Pflanzen haben jedoch einen Rezeptor, der es erkennt. Unter ihnen ist der Kreuzblütler Ackerschmalwand, eine altbewährte Modellpflanze in der Pflanzenforschung. Wissenschaftler der Universität Tübingen beschrieben den Rezeptor RLP23 und seinen Signalweg und gingen der Frage nach, ob ein solch nützlicher Rezeptor nicht auch in Nutzpflanzen anderer Pflanzenfamilien übertragen werden kann. 

Rezeptorkomplex

Mithilfe reverser Genetik kamen sie dem Rezeptor auf die Spur: Sie schalteten gezielt Gene aus und konnten daraufhin durch Beobachtung der Phänotypen Rückschlüsse auf die Funktion der ausgeschalteten Gene ziehen. Mutanten, die das Genmaterial für RLP23 nicht trugen, bildeten diesen nicht aus und zeigten auch keine Verteidigungsreaktion auf nlp20. Schritt für Schritt entschlüsselten sie auch den Signalweg des Rezeptors: RLP23 sitzt in der Zellmembran und hat keine direkte Verbindung in das Zellinnere. Erst, wenn er die Pathogen-Struktur nlp20 bindet, bildet er einen Komplex mit den Co-Rezeptoren SOBIR1 und BAK1, die das Signal ins Zellinnere übertragen.

RLP23 in Tomate und Kartoffel?   

Obwohl RLP23 in der Ackerschmalwand die Co-Rezeptoren braucht, um eine Abwehrreaktion zu initiieren, scheint er in anderen Pflanzen ohne diese beiden zu funktionieren. Wurde das Genmaterial von RLP23 in Tomate und Kartoffel transferiert, reagierten auch sie auf nlp20. Die Wissenschaftler vermuten, dass es gerade die Notwendigkeit eines zu bildenden Komplexes ist, die das ermöglicht: Vermutlich verbinden Tomate und Kartoffel den Rezeptor in der Zellmembran mit ihren eigenen Immun-Signalwegen.

Widerstandsfähigere Nachtschattengewächse

Die Ergebnisse bergen ein großes Potential für die künstliche Immunisierung von Nutzpflanzen: Zum einen zeigen sie, dass ein einziger Rezeptor eine Molekülstruktur erkennt, die unter den unterschiedlichsten Pflanzenpathogenen weit verbreitet ist. Darüber hinaus zeigen sie, dass es möglich ist, diesen sehr nützlichen, seltenen Rezeptor in Pflanzen zu transferieren, die mit der Ackerschmalwand nur entfernt verwandt sind.

Auch der Eipilz Phytophthora infestans, der im 19. Jahrhundert in Irland die große Hungersnot auslöste, gehört zu den vielen Pathogenen, die nlp20 enthalten. Vielleicht könnte die Kartoffel in Zukunft gegen ihren berühmtesten Gegenspieler immunisiert werden.