Kleine Nukleinsäuren stoppen den Angreifer

Ackerschmalwand blockiert Infektionsgene von Schimmelpilzen

12.06.2018 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Die Ackerschmalwand ist ein beliebter Modellorganismus der Pflanzenforschung. (Bildquelle: © sinitar / Fotolia.com)
Die Ackerschmalwand ist ein beliebter Modellorganismus der Pflanzenforschung. (Bildquelle: © sinitar / Fotolia.com)

Der Kampf zwischen einer Pflanzen und ihren Pathogenen spielt sich hauptsächlich auf biochemischer Ebene ab. Einen wichtigen Mechanismus, der zu neuen Pflanzenschutzmitteln führen könnten, hat jetzt ein internationales Forschungsteam erstmals nachgewiesen.

sRNAs, kurze Ribonukleinsäuren, sind Multifunktionswerkzeuge der Zellen. Einige von ihnen können die Aktivität bestimmter Gene stilllegen, indem sie an komplementäre RNA-Moleküle binden und so deren normale Funktion blockieren. Dieser Mechanismus spielt bei Pflanzen eine wichtige Rolle, um sich gegen fremde RNA und damit die Infektion mit Pathogenen zu verteidigen. Die Pathogene ihrerseits nutzen sRNAs, um die Abwehrmechanismen der Pflanze zu behindern. Jetzt  konnte ein Forschungsteam erstmals zeigen, wie sRNA-Moleküle dabei die Grenze zwischen den taxonomischen Reichen überwinden.

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Botrytis cinerea ist ein grauer Schimmelpilz, der  Obst, Gemüse und Blumen befällt.

Botrytis cinerea ist ein grauer Schimmelpilz, der  Obst, Gemüse und Blumen befällt.

Bildquelle: © Rasbak (CC BY 3.0)

Aus dem Tierreich bekannt

Innerhalb von Pflanzen bewegen sich sRNA-Moleküle von Zelle zu Zelle, indem sie Plasmodesmen nutzen, dünne Plasmastränge, die benachbarte Zellen verbinden. Welcher Mechanismus aber die pflanzliche sRNA zum Pathogen transportiert, war bisher gänzlich unbekannt. Aus dem Tierreich weiß man, dass sogenannte Exosome sRNA von den tierischen Zellen auf den Parasiten übertragen. Exosome sind etwa 30 bis 90 Nanometer große Vesikel, die von Zellen an ihre Umgebung abgegeben werden. Auch Pflanzen besitzen Exosom-ähnliche Vesikel, weshalb das Team um Jin Hailing von der National Chiao Tung University in Taiwan sie näher untersuchte.

Als Modell diente die Interaktion zwischen der Ackerschmalwand und dem Schimmelpilz Botrytis cinera, die einander mittels sRNA bekämpfen. Bei einer Analyse der sRNA innerhalb der Protoplasten des Schimmelpilzes wurden 42 verschiedene sRNA-Typen der Ackerschmalwand nachgewiesen. Im Vergleich mit den RNAs innerhalb der Blätter der Ackerschmalwand stellte sich heraus, dass es sich dabei nicht um die dort am zahlreichsten vorhandenen sRNAs handelt. 25 der im Schimmelpilz gefundenen pflanzlichen sRNAs kamen in den Ackerschmalwandblättern sogar nur in sehr geringer Menge vor. Demnach gelangen die sRNAs nicht einfach per konzentrationsabhängiger Diffusion in den Schimmelpilz, sondern unterliegen einem aktiven und selektiven Prozess.

RNA-Übertragung auf den Pathogen

Um herauszufinden, ob an diesem Prozess Exosom-artige Vesikel beteiligt sind, analysierten die Pflanzenforscher die sRNA der extrazellulären Vesikel innerhalb der Flüssigkeit von infiziertem Blattgewebe. Dort konnten sie 31 der 42 im Schimmelpilz vorgefundenen sRNA-Moleküle der Ackerschmalwand nachweisen. Da diese sRNA nicht von Nukleasen zersetzt werden konnte, folgerten die Wissenschaftler, dass die Moleküle sich geschützt innerhalb der Vesikel und nicht etwa an deren Oberfläche befinden müssen. „Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Pflanzenzellen extrazelluläre Vesikel absondern, um die sRNA in die Pilzzellen zu übertragen“, erklärt Cai Qiang von der University of California in Riverside, Erstautor der Studie.

Das Team konnte mittels Fluoreszenz-markierter Vesikel zeigen, dass Pilzzellen tatsächlich pflanzliche Vesikel mit sRNA aufnehmen. Darüber hinaus bestimmten die Forscher, welche Gene an diesem Prozess beteiligt sind. Dazu erzeugten sie Knockout-Mutanten der Ackerschmalwand, in denen die am Aufbau der Vesikel beteiligten Gene TET8 und TET9 ausgeschaltet wurden. Diese Pflanzen zeigten eine deutlich erhöhte Anfälligkeit gegenüber dem Pilz. 

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Die Transmissionselektronenmikroskopie zeigt die Freisetzung extrazellulärer Vesikel durch Arabidopsis thaliana nahe der Infektion mit Botrytis cinerea.

Die Transmissionselektronenmikroskopie zeigt die Freisetzung extrazellulärer Vesikel durch Arabidopsis thaliana nahe der Infektion mit Botrytis cinerea.

Bildquelle: © UC Riverside

Zerstörung der Pathogen-RNA

Zuletzt fanden die Wissenschaftler auch Hinweise darauf, wie die pflanzliche sRNA den Pilz angreift. Genetische Analysen deuteten bereits darauf hin, dass 21 der in den Vesikeln nachgewiesenen RNA-Typen die sogenannten Virulenzgene des Schimmelpilzes blockieren. Als Virulenzgene werden diejenigen Gene des Pathogens genannt, die für die Produktion von wirtsschädigenden Proteinen oder anderer Substanzen verantwortlich sind. Sieben dieser RNA-Typen greifen auf genetischer Ebene das Vesikelsystem des Pilzes an.

Mit weiteren Knockout-Mutanten der Ackerschmalwand bewies das Team, dass Virulenzgene im Pilz in der Tat durch die pflanzliche sRNA blockiert werden: Der Wildtyp der Pflanze kann die Virulenzgene des Pilzes nach einer Infektion herunterregeln, bei Mutanten mit einer defekten sRNA-Produktion blieben diese Gene aber unvermindert aktiv. Gefundene Transkriptfragmente der Virulenzgene belegen, dass die mRNAs der Virulenzgene durch die Wirkung der sRNAs zerschnitten und damit unbrauchbar gemacht werden.

Blaupause für neue Pflanzenschutzkonzepte

Der so nachgewiesene Abwehrmechanismus eröffnet neue Perspektiven für den Pflanzenschutz. „Funktionelle Analysen der vom Wirt übertragenen sRNAs werden dabei helfen, die wichtigen Virulenzgene eines Pathogens zu identifizieren“, sind sich die Forscher sicher. Und dann könnten neue Strategien zur Bekämpfung von Pflanzen-Krankheiten daraus entstehen: „Die Entdeckung der Bedeutung von Exosomen in der Reich-überschreitenden RNA-Interferenz kann helfen, effektive Methoden zu entwickeln, um künstliche RNA auf den Pathogen zu übertragen und so Pflanzenkrankheiten zu kontrollieren.“

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