Mehrstufige Abwehr gegen Viren

Pflanzen wehren sich mehrfach gegen Viren. Überwinden die Krankheitserreger die erste Stufe der Immunabwehr, aktiviert ein spezielles Protein einen zweiten Abwehrmechanismus.

Bei der pflanzlichen Virenabwehr haben Argonautenproteine (AGO) eine wichtige Funktion: Sie erkennen die Viren und setzen einen komplexen Abwehrmechanismus in Gang. Forschern ist es nun gelungen, die Interaktion dieser AGO-Proteine zu entschlüsseln und die Signalwege der RNA-vermittelten Abwehrmechanismen bei Pflanzen am Beispiel der Modellpflanze Ackerschmalwand genauer zu beschreiben. 

Umprogrammierte Pflanzenzellen

Wenn Viren Pflanzen infizieren, schleusen sie ihre eigene Erbsubstanz in das Genom der Pflanzenzelle ein. Die Viren-RNA (oder DNA) wird dann, wie die pflanzeneigene RNA der Wirtszelle, vervielfältigt. Die meisten Viren sind RNA-Viren, d.h. die genetische Information liegt als RNA vor. Die durch ein Virus „eroberte“ Wirtszelle setzt nach deren Replikation (Vervielfältigung) die neuen Viren frei. Durch Zelllyse (die Auflösung der Zelle) wird die Ausweitung der Infektion in andere Zellareale erleichtert. 

Abwehr

Zur Virenabwehr haben Pflanzen und andere Eukaryoten unter anderem die RNA-Interferenz (RNAi) entwickelt. Bei der RNA-Interferenz wird die Übersetzung (Translation) der messenger (m)RNA in Proteine unterbrochen, in dem ein bereits transkribiertes Gen nicht oder nur in geringem Umfang in ein Protein umgesetzt wird. RNAi gilt mitlerweile in der Medizin als potenzielle Wunderwaffe gegen Krebs und viele andere Krankheiten. Erstmals entdeckt und beschrieben wurde RNAi bei Petunien-Pflanzen. 

Eine bedeutende Rolle bei der Genregulation mittels RNAi spielen die AGO-Proteine. Erkennt die Zelle einen viralen Angriff, docken sich die AGO-Proteine an kleine Virus-RNA-Sequenzen aus small interfering (si)RNA an. Die virale siRNA bindet an die korrespondierende mRNA, welche daraufhin durch Aktivierung des AGO-Proteins abgebaut wird. Die Translation der mRNA wird gehemmt, die Vervielfältigung der Viren-RNA damit gestoppt.

Gegenwehr

Pflanzenviren wehren sich gegen diese Form der Pflanzenabwehr, indem sie Proteine enkodieren, die die RNA-Interferenz hemmen. Auf diese Weise beeinträchtigen sie die Bildung von siRNAs und damit die Abwehrreaktion der Pflanze. Dies begünstigt eine weitere Verbreitung der Infektion. 

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Die Rolle der Argonauten

Bislang wurden zehn AGO-Proteine bei Pflanzen nachgewiesen, die auf verschiedenen Ebenen der RNA-Interferenz wirken und damit für die Virenabwehr von Bedeutung sind. Im Fall der Ackerschmalwand konnte bislang allein für das Protein AGO1 eine antivirale Wirkung gegen RNA-Viren festgestellt werden. 

Um die Rolle der AGO-Proteine für die Ausbreitung von RNA-Virusinfektionen bei Pflanzen zu klären, züchteten die Forscher Pflanzenlinien, in denen je ein für ein bestimmtes AGO-Protein kodierendes Gen abgeschaltet wurde. Dann infizierten sie die verschiedenen AGO-Mutanten mit den drei Pflanzenviren Gurkenmosaikvirus (CMV), Tabakmosaikvirus (TMV) und „Turnip crinkle virus“ (TCV) und beobachteten anschließend die Abwehrreaktionen der Pflanzen. Als Kontrollgruppe dienten Pflanzen des Wildtyps. 

Mehrstufige Abwehr

Die Experimente weisen auf eine mehrstufige Interaktion zwischen RNA-vermittelter Pflanzenabwehr und viraler Gegenwehr hin. Das Protein AGO1 realisiert die erste Abwehrstufe, es wird bei einer Virusinfektion ausgeschüttet. Pflanzen ohne AGO 1 zeigten eine hohe Anfälligkeit für den CMVirus. 

Die Forscher entdeckten eine zweite Stufe der Virusabwehr: Konnten die Viren die erste Abwehrstufe überwinden, indem sie Proteine produzierten, die die RNA-Inferenz hemmten, wurde die Ausschüttung von AGO2 eingeleitet. Pflanzen, denen AGO1 und AGO2 fehlten, wurden durch den TCVirus empfindlich geschädigt. Auch bei einer Infektion mit CMV zeigten sie stärkere Symptome als die Kontrollgruppe. Bei einer Infektion mit TMC zeigten die AGO1-2 Mutanten ähnlich starke Symptome wie die Wildtyppflanzen. Die Experimente zeigten eine antivirale Abwehrfunktion von AGO2 im Falle von TCV und CMV, nicht jedoch bei TMC.

Auf eine Infektion mit dem TCVirus reagierten fast alle Mutanten ähnlich wie Pflanzen des Wildtyps: ihre Blätter färbten sich gelb und verkrüppelten stark. Nicht infizierte Pflanzen unterschieden sich in Aussehen und Wachstum kaum von Pflanzen des Wildtyps. Gesunde Pflanzen ohne AGO1 und AGO2 wuchsen ebenso normal, zeigten aber bei einer Infektion deutlich stärkere Symptome. 3 bis 20 Tage nach der Infektion mit TCV hatten sich die Symptome – gelbe und verkrüppelte Blätter – bei den AGO1-2-Mutanten im Vergleich zu den Wildtyppflanzen sehr viel weiter auf zuvor nicht betroffene Blätter ausgebreitet. 

AGO2 macht den Unterschied

Genetische Analysen zeigten, dass sieben Tage nach der Infektion die Konzentration der TCVirus-RNA in den Pflanzen ohne AGO1 und AGO2 um einiges höher lag als bei den Wildpflanzen. Dieser Unterschied war jedoch bei einer zweiten Messung insgesamt 14 Tage nach der Infektion verschwunden. Nach diesem Zeitpunkt stieg die Konzentration der Virus-RNA nicht weiter an. Die unterschiedlich stark ausgeprägten Symptome beider Pflanzenlinien blieben über die Zeit bestehen. 

Während das Protein AGO2 in gesunden Wildtyppflanzen nicht nachgewiesen werden konnte, entdeckten die Wissenschaftler in TCV-infizierten Wildtyppflanzen zwei Proteine, die sie aufgrund ihrer Struktur als Isotypen von AGO2 ausmachten. Bei einer Infektion mit dem TCVirus reagierten die Wildtyppflanzen somit mit einer Ausschüttung zweier Formen des Proteins AGO2. Diese beiden Proteine fehlten den Mutanten, bei denen AGO1 und AGO2 abgeschaltet wurden. 

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Die Wissenschaftler vermuten, dass bei TCV und CMV infizierten Pflanzen das Protein AGO2 ausgeschüttet wird, da beide Viren Proteine produzieren, die das RNA Silencing und damit AGO1 hemmen. AGO2 würde damit eine zweite Stufe der pflanzlichen Immunabwehr einleiten, die dann greift, wenn die Viren die erste Abwehrreaktion durch AGO1 überwinden. Bei einer Infektion mit dem TMVirus wird diese zweite Abwehrstufe hingegen nicht eingeleitet. Die Forscher erklären dies damit, dass der TMVirus vermutlich nicht die Konzentration von AGO1 hemmt und die zweite Abwehrstufe durch AGO2 somit nicht eingeleitet wird.

Erkenntnisse nutzen für den Pflanzenschutz

Rätselhaft ist bislang, warum das Fehlen von AGO2 zu bedeutend stärkeren Symptomen bei der infizierten Pflanze führt, obwohl die Konzentration der Virus-RNA nur kurzfristig höher ist als bei den Wildtyppflanzen. Eine These der Forscher ist, dass der Virus insbesondere die Wachstumszentren der Pflanze, das Meristem befällt. Diese Zentren sind stoffwechselaktive Zonen der Zellteilung. Weitere Studien müssen nun klären, inwieweit AGO2 genau hier, im wachstumsrelevanten Gewebe der Pflanze, als Abwehrmechanismus wirkt. Gleichzeitig könnte dieses Wissen, ähnlich dem Auffinden von RNA-Interferenz, Grundlagenwissen für andere Organismengruppen und mögliche Anwendungen liefern.

Ein genaues Verständnis darüber, wie und wann AGO-Proteine in pflanzlichen Abwehrmechanismen eine Rolle spielen, könnte somit nicht nur die Entwicklung passgenauer und effizienter Pflanzenschutzmaßnahmen revolutionieren.