Kleine Fettsäuremoleküle verraten pathogene Bakterien

Neue Erkenntnisse zur Aktivierung der pflanzlichen Immunabwehr

25.04.2019 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Blätter der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) werden infiziert, indem eine Bakterien enthaltende Lösung aufgepresst wird. (Bildequelle: © Astrid Eckert / TUM)
Blätter der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) werden infiziert, indem eine Bakterien enthaltende Lösung aufgepresst wird. (Bildequelle: © Astrid Eckert / TUM)

Das LORE-Protein in Kreuzblütlern erkennt die Anwesenheit von komplexen Lipopolysacchariden (LPS) aus der Zellwand pathogener Bakterien und aktiviert daraufhin die Immunabwehr – so dachte man seit 2015. Jetzt zeigt sich, dass in Wahrheit kleine Moleküle, die stets mit LPS einhergehen, entscheidend sind. Das könnte sogar für die Humanmedizin eine Bedeutung haben.

Es ist ein Lehrbeispiel dafür, wie Wissenschaft funktioniert: Eigentlich wollte das Team der TU München um die Phytopathologin Stefanie Ranf gemeinsam mit internationalen Partnern einen Befund aus dem Jahr 2015 genauer verstehen. Damals hatten die Forscher einen für das pflanzliche Immunsystem wichtigen Rezeptor identifiziert: Das Protein LORE (kurz für: lipo-saccharide-specific reduced elicitation) löst eine Immunreaktion aus, wenn bestimmte pathogene Bakterien eine Pflanze befallen.

Richtiger Rezeptor – falscher Auslöser

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Eigentlich wollte das Team einen Befund aus dem Jahr 2015 genauer verstehen. Damals hatten die Forscher einen für das pflanzliche Immunsystem wichtigen Rezeptor identifiziert: Das Protein LORE. Pflanzenforschung.de berichtete: "Wie Pflanzen schädliche Bakterien erkennen"

Quelle: © Harald Schottner / pixelio.de

Aktiviert wird LORE, so die alte These, durch bestimmte Lipopolysaccharide (LPS) der bakteriellen Zellwand. Diese bestehen unter anderem aus einem Fettsäure- und einem Polysaccharidanteil. Doch nun zeigte sich, dass die Pflanzenforscher einer Täuschung aufgesessen waren: Der Rezeptor reagiert ausschließlich auf den Fettsäureanteil der LPS – und nur dann, wenn diese Fettsäuremoleküle als freie bzw. ungebundene Moleküle vorliegen.

„Die Überraschung kam, als wir das Rezeptorprotein näher untersuchen wollten“, schildert Ranf. „Unser Ziel war es herauszufinden, wie LORE verschiedene LPS-Moleküle unterscheidet. Dazu brauchten wir hochreine LPS.“ Doch das gestaltete sich schwierig: Zunächst wählten die Forscher jene Proben aus, bei denen der Befall mit Pseudomonas syringae zu einer Immunreaktion führte. Alle LPS-Moleküle enthielten hier mittellange 3-Hydroxy-Fettsäuren, die auch als freie Moleküle an den LPS hafteten. Es erforderte monatelange Experimente, um diese freien Fettsäuren abzutrennen – und großes Erstaunen auszulösen.

Einfache statt komplexe Moleküle

„Als es uns schließlich gelang, hochreine LPS herzustellen, wurde deutlich, dass die Pflanzenzelle auf sie überhaupt nicht reagieren“, erinnert sich Ranf an diesen überraschenden Moment. „Damit war klar, dass die Immunantwort nicht durch LPS, sondern durch diese freien Fettsäuren ausgelöst wird.“ Das ist durchaus plausibel, wie die Studienleiterin erklärt: „Die Strategie der Pflanzenzellen, Bakterien durch diese grundlegenden Bausteine zu identifizieren, ist extrem raffiniert. Die Bakterien benötigen diese 3-Hydroxy-Fettsäuren und können deshalb die Immunreaktion nicht umgehen.“ Zudem bilden Bakterien des großen Stammes Firmicutes ebenso wie manche Insekten, die sich von Pflanzen ernähren, freie 3-Hydroxy-Fettsäuren. Nicht zuletzt erzeugen Kreuzblütler selbst diese Moleküle als Reaktion auf Gewebeschäden und aktivieren so eine Immunreaktion.

Mittellange Kohlenstoffketten und R-Konfiguration

In weiteren Versuchen zeigte das Team, dass 3-Hydroxy-Fettsäuren mit acht bis zwölf Kohlenstoffatomen die LORE-abhängige Immunreaktion auslösen – am effektivsten ist eine Länge von zehn Kohlenstoffatomen. Kettenlängen von 13 bis 16 Kohlenstoffatomen hingegen führen zu keiner Immunantwort. Auch die Chiralität spielt eine Rolle: Die R-Konfiguration der Fettsäuren erzeugt eine stärkere Immunreaktion als die S-Konfiguration. Verdecken große Seitengruppen die Carboxylgruppe der Fettsäure, beeinträchtigt das die Immunreaktion bis hin zu einem vollständigen Ausbleiben.

Die Beobachtung bestätigte sich in vivo: Wildtyp-Ackerschmalwand-Pflanzen, die mit Fettsäuren der optimalen Länge behandelt worden waren, erwiesen sich als recht widerstandsfähig gegen die Infektion mit P. syringae. Wurden die Pflanzen mit langkettigen Fettsäuren behandelt oder der LORE-Rezeptor genetisch ausgeschaltet, blieb die Immunantwort auf die Infektion aus.

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Dr. Stefanie Ranf testet, ob ausgewachsene Pflanzen mit einer Mutation im LORE-Gen anfälliger für eine Infektion mit pathogenen Bakterien sind.

Quelle: © Astrid Eckert / TUM

Weit verbreitetes Molekül als Signal

Weitere Analysen ergaben, dass die freien mittellangen 3-Hydroxy-Fettsäuren immer gleichzeitig mit Lipopolysacchariden oder deren Bestandteil Lipid A aufgereinigt werden. Die Wissenschaftler vermuten daher, dass die Fettsäuren nicht erst während der Infektion aus den bakteriellen Zellwand-LPS freigesetzt werden, sondern dass eine weitere Quelle dieser Fettsäuren in den Bakterien existiert. Dafür spricht, dass zahlreiche bakterielle Verbindungen derartige Fettsäuren enthalten. Zudem bilden 3-Hydroxy-Fettsäuren, die an das Coenzym A oder an das Acyl-Trägerprotein gebunden sind, einen festen Bestandteil des Fettsäuremetabolismus.

Für die Pflanzenzüchtung könnte diese Entdeckung die Grundlage schaffen, mit gentechnischen Methoden verstärkte Immunreaktionen auszulösen. Züchter oder Landwirte könnten zudem Pflanzen mit 3-Hydroxy-Fettsäuren behandeln und so deren Widerstandsfähigkeit gegen Pathogene erhöhen.

Verwechslungen auch in der Humanmedizin?

Darüber hinaus weisen die Forscher darauf hin, dass auch Zellen von Tieren und Menschen Fettsäuren erkennen können. Wahrscheinlich sei, dass auch hier bei Immunstudien komplexe LPS nicht immer vollständig von einfachen freien Fettsäuren getrennt worden seien. Damit wären ähnliche „Verwechslungen“ möglich, wie sie die Münchener Forscher nun bei Pflanzen korrigiert haben.

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