Hast Du viele Freunde – Hast Du viele Feinde

Wie alle Lebewesen verfügen Pflanzen über ein hochkomplexes Netzwerk aus wechselwirkenden Proteinen, das ihnen ermöglicht sich an ständig wechselnde Umweltbedingungen optimal anzupassen. Krankheitserreger interagieren auf vielfältige Weise mit diesem Netzwerk, um ihren Wirt zu manipulieren. Forscher konnten jetzt zeigen, dass Erreger die pflanzliche Abwehr zu untergraben suchen, indem sie mit Wirtsproteinen interagieren, die stark mit anderen Proteinen innerhalb der Wirtszelle vernetzt sind. Dass sich Pflanzen dennoch immer wieder effektiv gegen ihre Krankheitserreger zur Wehr setzen, liegt vermutlich an Proteinen die weniger „Freunde“ im zellulären Netzwerk haben.   

Wettrüsten zwischen Pflanzen und Krankheitserregern

Als standortgebundene Organismen müssen sich Pflanzen ständig an ihre Umgebung und die dort herrschenden Bedingungen anpassen – dazu gehören auch ihre Feinde. Bakterien, Pilze und Insekten haben im Laufe der Zeit ausgeklügelte Strategien entwickelt, um Pflanzen zu befallen, in ihre Zellen einzudringen und sich ihrer Stoffwechselprodukte zu bemächtigen. Diesem Befall sind Pflanzen aber nicht hilflos ausgeliefert. Sie verfügen über ein ebenso ausgeklügeltes wie vielschichtiges Abwehrsystem.

Die erste Ebene der Pflanzenabwehr dient der frühzeitigen Erkennung der Feinde. Noch bevor diese in die pflanzlichen Zellen eindringen, werden sie erkannt und erste Gegenmaßnahmen eingeleitet. Gelingt es dem Erreger dieser frühen Erkennung zu entgehen, werden vom diesem spezifische Eiweiße in die Zelle eingeschleust, unter anderem um die pflanzliche Abwehr zu stören. An dieser Stelle kommt die zweite Verteidigungsebene der Pflanze ins Spiel. Sie besteht aus einer ganzen Armada unterschiedlicher Proteine, die in ständiger Alarmbereitschaft stehen und den Gesundheitsstatus der Zelle überwachen. Erkennen diese Wächter fremde Eiweiße wird ein Programm ausgelöst, das zum Tod der infizierten Zelle führt und damit die Ausbreitung Erregers verhindert.

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Das ständige Zusammentreffen von Krankheitserregern und Pflanzen hat im Laufe der Evolution zu einem regelrechten Wettrüsten der Angriffs- und Verteidigungsmechanismen geführt. Da das pflanzliche Abwehrsystem auf einem komplexen Netzwerk wechselwirkender Proteine basiert, gibt es für Krankheitserreger zahlreiche Möglichkeiten dieses System zu attackieren und zu ihrem Vorteil zu manipulieren. Die Frage, wie es Krankheitserreger im Laufe der Evolution immer wieder gelungen ist, die pflanzliche Abwehr zu durchbrechen, ist im Detail bis heute unbeantwortet.

Unter der Leitung von Pascal Braun, hat eine Forschungsgruppe an der Technischen Universität München (TUM) einen systembiologischen Ansatz gewählt, um Antworten auf diese Frage zu finden. Dieser hat das Ziel, komplexe Interaktionsmuster zwischen Pflanzen und Krankheitserregern besser zu verstehen. Im systembiologischen Ansatz wird versucht, zu verstehen wie ein Organismus seine zellulären Untereinheiten und die darin ablaufenden biologischen Prozesse funktionieren, und wie die einzelnen Komponenten miteinander zusammenarbeiten. Oft werden diese Prozesse auf verschiedenen Ebenen (Genom, Proteom, Metabolom) mithilfe von Hochdurchsatz-Methoden untersucht. Durch die Vielzahl der so gewonnen Daten versuchen die Forscher mithilfe mathematischer und statistischer Analysen, Muster zu erkennen, um diese zu studieren.

Verschiedene Effektoren zielen auf dieselben Wirtsproteine

Für ihre Studie wählten die Forscher die Modellpflanze Arabidopsis thaliana und drei, die Pflanze befallende Krankheitserreger. Ein Bakterium (Pseudomonas s.), einen Pilz (Golovinomyces o.) und einen Scheinpilz (Hyaloperonospora a.). Diese drei Arten sind entwicklungsgeschichtlich sehr weit voneinander entfernt und decken ein breites Erregerspektrum ab. Jede Art hat ihr ganz spezielles Arsenal an erregerspezifischen Proteinen, sogenannten Effektoren, entwickelt, um die Wirtspflanze zu infizieren. Die Analyse der Genomsequenz dieser drei Erreger erlaubte den Forschern Gene für mögliche Effektoren zu finden.

Aus vorgängigen Studien verfügten Braun und seine Kollegen bereits über eine erste Karte des Proteinnetzwerkes von Arabidopsis thaliana, bestehend aus mehr als 6.000 Interaktionen. Die Frage die sich nun stellte war: Wie greifen diese Effektoren dieses pflanzliche Netzwerk effektiv an? Um dies zu beantworten, testeten die Forscher gute Effektor-Kandidaten in einem in vitro Hefesystem auf eine Wechselwirkung mit den pflanzlichen Eiweißen. In der Tat konnten zahlreiche Effektor-Wirtsprotein-Interaktionen identifiziert werden.

Überrascht waren die Forscher, dass mehrere Effektoren – aus derselben aber auch aus verschiedenen Erregerarten – häufig mit den gleichen Wirtsproteinen interagierten. Dies ist umso erstaunlicher, da die Effektoren in ihrer Sequenz und ihrer Struktur sehr unterschiedlich sind. Dass strukturell verschiedene Effektoren derselben Erregerart auf das gleiche Wirtsprotein abzielen, könnte auf eine funktionelle Redundanz hindeuten. Braun vermutet, dass die Gene der Effektorproteine unterschiedlich exprimiert werden und der Erreger auf diese Weise sicherstellt, dass immer mindestens ein Effektor vorhanden ist, der mit dem Wirtsprotein einer Pflanze interagieren könnte.

Hast du viele Freunde – Hast Du viele Feinde

Braun und seine Kollegen konnten weiter zeigen, dass die gemeinsamen Angriffspunkte der Effektoren oftmals Proteine sind, die mit anderen pflanzlichen Proteinen interagieren und eine zentrale Position im Netzwerk des Wirtes innehaben. Wirtsproteine die wenige Interaktionen haben, scheinen auch für die Effektoren weniger interessant zu sein. Die Forscher vermuteten, dass diese gemeinsamen Angriffspunkte eine essentielle Schalterfunktion in der Zelle übernehmen. Deshalb testeten sie, ob deren Fehlen zu einer Schwächung der Abwehrreaktion bei Pflanzen führt. Tatsächlich zeigten Pflanzen mit Mutationen in Proteinen, die besonders häufig mit Effektoren interagieren, eine veränderte Abwehrantwort. Sie wurden entweder anfälliger oder resistenter im Vergleich zum nicht mutierten Wildtyp. Daraus schlussfolgerten die Wissenschaftler, dass diese Eiweiße Funktionen für die Abwehrreaktion der  Pflanzen, als auch für die erfolgreiche Infektion eines Erregers übernehmen.

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Die Achillessehne der pflanzlichen Abwehr

Evolutionsbiologisch gesehen macht es Sinn, dass unterschiedliche Effektoren der Krankheitserreger die gleichen Schaltstellen der Pflanzenabwehr angreifen. Gelingt es ihnen diese Schaltstellen zu umgehen, - entweder durch ein Ausschalten oder deren Manipulation zu ihrem Vorteil - steht dem Eindringen in die Zelle nichts mehr im Weg. Ein weiterer Grund, weshalb Effektoren verschiedener Erregerarten die gleichen Pflanzenproteine angreifen, könnte in der Sequenz und der Struktur dieser Proteine begründet liegen. Die vergleichende Sequenzanalyse von 80 Arabidopsis Biotypen zeigte, dass die Sequenzen dieser Schalterproteine konserviert sind und sich im Laufe der Evolution nur wenig verändert haben. Die Forscher vermuten, dass kleinste Sequenzveränderungen deren Funktion wahrscheinlich beeinträchtigen würden. Für Effektoren besteht somit nur ein geringes Risiko, dass sich diese Andockstellen über die Zeit verändern und eine Wechselwirkung mit diesen verhindert wird.

Diese Erkenntnisse könnten zu der Vermutung verleiten, dass das Durchbrechen der Pflanzenabwehr für Krankheitserreger eigentlich ein Leichtes sein müsste, was jedoch nicht der Fall ist. Wie gelingt es also, Pflanzen sich effektiv vor einem Befall zu schützen? Die Forscher fragten sich, wo in diesem System Selektion stattgefunden haben könnte, wenn nicht bei den Proteinen, die von den Effektoren angegriffen werden. Sie untersuchten deshalb die Nachbarschaft der Schalterproteine im Protein Netzwerk des Wirtes. Sie fanden heraus, dass Wirtsproteine mit auffallend hoher Sequenzvariation, bevorzugt mit den wichtigen, konservierten Schalterproteinen interagierten. Es könnte also sein, dass der evolutive Druck, den Krankheitserreger auf die konservierten Schalterproteine ausüben, durch eine hohe Variabilität in benachbarten Proteinen aufgefangen und neutralisiert wird.

Als nächstes wollen Braun und seine Kollegen untersuchen, welche physiologische Rolle die konservierten Schalterproteine in der Zelle übernehmen. Bisher ist für die wenigsten dieser Schalter eine Funktion in der Pflanzenabwehr bekannt. Die vorliegenden Erkenntnisse werfen neue Fragen über die Evolution von Pflanzen und ihre Krankheitserreger auf. Gleichzeitig führen die Ergebnisse zu möglichen neuen Anwendungen im Pflanzenschutz. Es scheint wahrscheinlich, dass Krankheitserreger bei Nutzpflanzen auf gleiche und auch einige konservierte Wirtsproteine konvergieren. Werden diese gefunden, könnte man versuchen die in der Nachbarschaft liegenden, hochvariablen Proteinen so zu verändern, dass die Pflanzenabwehr insgesamt verbessert wird.