Parasitäre Programmierung

Rübenzysten-Nematoden produzieren Pflanzenhormon Cytokinin

09.10.2015 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Nematoden bilden einen sehr artenreichen Stamm im Tierreich. Einige Vertreter zeichnen sich durch Raffinesse und besondere Fähigkeiten aus. So auch der Rübenzysten-Nematode.  (Bildquelle: © CSIRO/ wikimedia.org/ CC BY 3.0)
Nematoden bilden einen sehr artenreichen Stamm im Tierreich. Einige Vertreter zeichnen sich durch Raffinesse und besondere Fähigkeiten aus. So auch der Rübenzysten-Nematode. (Bildquelle: © CSIRO/ wikimedia.org/ CC BY 3.0)

Forschern finden genetischen Beweis, dass parasitäre Rübenzysten-Nematodenlarven das Pflanzenhormon Cytokinin produzieren. Keineswegs rein zufällig. Denn nur mit Hilfe des Hormons gelingt es den Larven, im Wurzelzylinder ihres Wirts, ein Nährzellengewebe zu bilden, von dem aus sie Nährstoffe abzweigen. Die neuen Erkenntnisse führen zu einem besseren Verständnis der Wirt-Parasit Interaktion. Dies könnte im Kampf gegen den Schädling von großer Hilfe sein.

Die Geschichte der Kultivierung der Zuckerrübe (Beta Vulgaris) ist die Geschichte eines  Kampfes gegen einen raffinierten Parasiten. Die Rede ist von einem Fadenwurm, der Rübenzysten-Nematode (Heterodera schatii). Der Albtraum aller Zuckerrübenbauern. Denn der Befall durch den winzigen Fadenwurm führt zu immensen Ertragseinbußen. Obwohl vieles bereits über die Folgen des Befalls bekannt ist, tappen Wissenschaftler und Landwirte noch häufig im Dunkeln, wenn es um die Vorgänge bei der Infizierung geht. Forschern der Universität Bonn ist es gelungen, mehr Licht in die Sache zu bringen. Dabei förderten sie eine kleine Sensation zutage: Der winzige Parasit ist in der Lage Cytokinin, ein Pflanzenhormon (Phytohormon ), in Eigenregie herzustellen, um es gezielt einzusetzen. Diese Fähigkeit wurde bisher noch bei keinem anderen Tier beobachtet und macht den Fadenwurm zu einem äußerst schwierigen Gegner.

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Erst ein Blick auf die Wurzel offenbart, ob eine Rübe befallen ist oder nicht. Diese Zuckerrübe scheint, gesund zu sein. Ihre Wurzeln sind frei von den typischen weißen, stecknadelkopfgroßen Nematodenzysten.

Erst ein Blick auf die Wurzel offenbart, ob eine Rübe befallen ist oder nicht. Diese Zuckerrübe scheint, gesund zu sein. Ihre Wurzeln sind frei von den typischen weißen, stecknadelkopfgroßen Nematodenzysten.

Quelle: © José-Manuel Benito Álvarez/ wikimedia.org/ CC BY 3.0

Nematodenlarven zapfen Wurzeln an

Es sind die winzigen Larven der Nematoden, die sich mit ihrem spitzen Mundstachel Zugang in das Gewebe  der Zuckerrübenwurzel verschaffen und bis zum Zylinder vordringen. Dort angekommen geben sie nach dem Einstich in eine Zelle ein paar Speicheltropfen ab, was zur Folge hat, dass sich an Ort und Stelle ein mehrzelliges Nährzellengewebe (Syncytium) bildet: Ausgehend von der infizierten Wurzelzelle beginnen die benachbarten Zellen, nach und nach mit jener zu verschmelzen.

Dabei bläht sich im Zuge sich mehrmals wiederholender Zellteilungen die infizierte Zelle regelrecht auf. Während die äußere Zellwand immer poröser wird, bleiben die inneren Zellmembrane jedoch erhalten. Auf diese Weise gelangen die Wirkstoffe, die den Prozess anstoßen, in die Nachbarzellen, während das ursprüngliche, mehrzellige Nährzellengewebe intakt bleibt. Nicht besteht dieses am Ende aus 100 Zellen und mehr.

Steckt das Geheimnis im Speichel der Larven?

Über das besonders stoffwechselaktive Nährzellengewebe versorgen sich die hungrigen Larven mit wertvollen Nährstoffen, die der Pflanze im Wachstum und in der Entwicklung fehlen. An den Wurzeln saugend entwickeln sich die Larven zu männlichen oder weiblichen Tieren. Letztere bleiben kopfüber in der Wurzel stecken, schwellen an und durchdringen mit ihrem hinteren Ende die Wurzel. Mit bloßem Auge sind dann die charakteristischen weißen Zysten zu sehen, denen der Parasit seinen Beinamen verdankt. Nach erfolgreicher Begattung reifen in diesen 250 bis 300 Nachkommen heran. Doch was genau löst diesen für die Pflanze so verheerenden Prozess aus? Steckt das Geheimnis im Speichel der Larven?

Hormone eine entscheidende Rolle

 „Schon lange stand die Hypothese im Raum, dass für die Bildung des Nährzellensystems Pflanzenhormone eine Rolle spielen“, erklärt Prof. Dr. Florian Grundler von der Universität Bonn und bezieht sich u.a. auf erste Verdachtsmomente aus den 70er Jahren des vorigen Jahrhunderts.

Schon damals hatten Forscher ein ganz bestimmtes Pflanzenhormon im Verdacht: Cytokinin. Allerdings bei einem anderen Vertreter der Nematoden: Meloidogyne incognita. Ein Parasit, der die Wurzeln seiner Wirtspflanzen auf ähnliche Weise infiziert wie der Schädling der Zuckerrübe.

Cytokinin stimuliert Zellteilung

Cytokinin ist ein vielseitiges Wachstums- und Entwicklungshormon von Pflanzen. Genau genommen handelt es sich um eine Gruppe von Pflanzenhormonen. Charakteristisch ist, dass Cytokinine das Wachstum von Wurzeln anregen, die Keimung von Samen beeinflussen oder aber die Zellteilung stimulieren. Gerade Letzteres ist für den Rübenzysten-Nematoden von entscheidender Bedeutung.

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Während sich Nematoden bereits an den Wurzeln zu schaffen machen könnten, sieht die Welt von oben noch in Ordnung aus. Charakteristischen Symptome, wie das Welken von Blätter, zeigen sich erst im späteren Verlauf.

Während sich Nematoden bereits an den Wurzeln zu schaffen machen könnten, sieht die Welt von oben noch in Ordnung aus. Charakteristischen Symptome, wie das Welken von Blätter, zeigen sich erst im späteren Verlauf.

Quelle: © Dag Terje Filip Endresen / wikimedia.org/ CC BY 2.0

Mehr als nur ein Anfangsverdacht

Dass Nematoden in der Lage sind, Cytokinin zu produzieren, wurde bereits 2003 im Labor festgestellt. Damals fanden Forscher in den flüssigen Ausscheidungen und Absonderungen von Nematoden Rückstände des Pflanzenhormons. Bis heute blieb die Wissenschaft jedoch eine Antwort auf das Wie und Warum schuldig.

Nährzellengewebe enthält Cytokinin

Um sich der Antwort zu nähern, nahmen die Forscher extra für Versuchszwecke infizierte Wurzeln von Arabidopsis Pflanzen (Arabidopsis thaliana) unter die Lupe. Sie prüften, ob im Nährzellengewebe der Larven Cytokinin zu finden war. In der Tat ergaben die Messungen erhöhte Cytokinin-Werte.

Woher stammt das Pflanzenhormon?

Im nächsten Schritt gingen sie dazu über, nach der Quelle des Cytokinins zu suchen. Stammte es aus pflanzeneigener Produktion oder von der Larve? Sie begannen zunächst damit, die Cytokininproduktion in den Arabidopsis-Pflanzen zu unterbinden. Im Ergebnis nahm die Cytokininkonzentration zwar ab, aber nur in geringem Maße. Nach wie vor gelang es den Larven, nach erfolgreichem Eindringen in die Wurzel das charakteristische Nährzellengewebe zu bilden und Nährstoffe abzuzweigen.

Es erhärtete sich der Verdacht, dass die Larven selbst für ausreichend hohen Cytokiningehalte sorgten. Zumal bekannt ist, dass jene mit dem Eindringen in den Wurzelzylinder bewegungsunfähig werden, sie somit an Ort und Stelle sicherstellen müssen, dass für ausreichend Nahrung gesorgt ist.

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Nematoden infizieren nicht nur die Wurzeln von Zuckerrüben, sondern von einer Vielzahl anderer Nutzpflanzen. Im Bild zu sehen: Zysten an einer Tomatenwurzel.

Nematoden infizieren nicht nur die Wurzeln von Zuckerrüben, sondern von einer Vielzahl anderer Nutzpflanzen. Im Bild zu sehen: Zysten an einer Tomatenwurzel.

Quelle: © CSIRO/ CC BY 3.0

Larven bilden Cytokinin

Die Forscher untersuchten daraufhin die Larven und fanden in ihren Körpern jede Menge Cytokinin. Und zwar unabhängig davon, ob sie gerade in einer Wurzel steckten oder nicht. Die höchsten Hormonkonzentrationen fanden sie im zweiten Larvenstadium. Sprich, genau in dem Lebensabschnitt, in dem die Larven beginnen, die Wurzeln von Wirtspflanzen zu infizieren.

Isopentenyltransferase entscheidend beteiligt

Zentrale Stellschraube ist ein Gen, das ein für die Cytokinin-Produktion entscheidendes Enzym codiert, eine Isopentenyltransferase (IPT). Es bildet die Grundvoraussetzung für die Produktion von Cytokinin. Bei Pflanzen wie bei Tieren. Als die Forscher die Umsetzung der genetischen Informationen in besagtes Enzym stoppten, hatte dies zwar keine lebensbedrohlichen Folgen für die Larven, bremste jedoch deren Cytokininproduktion.

Die Konsequenz: Die Larven waren plötzlich nicht mehr in der Lage, ein ihren Bedürfnissen entsprechendes Nährzellengewebe zu induzieren. Zwar gelang es ihnen, in die Wurzeln von Wirtspflanzen ein- und bis zum Wurzelzylinder vorzudringen. Dort angelangt sank ihre Infektionskraft (Pathogenität) jedoch rapide ab.

Ohne Cytokinin-Rezeptoren wird die Geheimwaffe stumpf

 „Den Nematoden ist es gelungen, ein Syntheseprodukt des eigenen Stoffwechsels als Pflanzenhormon zur Steuerung der Entwicklung von Pflanzenzellen einzusetzen“, fasst Hauptautor Dr. Shahid Siddique die Entdeckung zusammen. Er und seine Kollegen sehen darin das Ergebnis eines langwierigen Prozesses der gemeinsamen Entwicklung in der Evolution, sprechen von der Ko-Evolution von Parasit und Wirt.

Gewissheit erhielten sie, nachdem sie die Cytokinin-Rezeptoren in den Wirtspflanzen blockierten. Ohne verfügbare Andockstelle im Wirt, verstummte das Signal bzw. der Startschuss zur Zellkernteilung. Die Nematoden verhungerten. „In diesem Fall nutzte Heterodera schachtii seine Fähigkeit, Cytokinin herzustellen, nichts mehr, weil der für ihn lebenswichtige Signalweg in den Wurzelzellen unterbrochen war“, erklärt Siddique.

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In 500-facher Vergrößerung ist zu sehen, wie eine Nematodenlarve in eine Tomatenwurzel eindringt.

In 500-facher Vergrößerung ist zu sehen, wie eine Nematodenlarve in eine Tomatenwurzel eindringt.

Quelle: © Agricultural Research Service (United States Department of Agriculture) /wikimedia.org/ CC0

Grundlagenforschung mit Weitblick

Obwohl die Arbeit der Forscher eindeutig in den Bereich der Grundlagenforschung gehört, ist ein Weg in die Anwendung vorgezeichnet. „Zum einen ist das Resultat ein wichtiger Beitrag zum grundlegenden Verständnis des Parasitismusses bei Pflanzen. Zum anderen kann es dazu beitragen, das Problem der Zystennematoden in wichtigen landwirtschaftlichen Kulturen bald auch in der Praxis zu verringern“ erklärt Mitautor Prof. Grundler.

Als nächstes geht es darum, näher auf die Details einzugehen: Wie sehen die Stoffwechselprozesse im Detail aus und wie werden die beteiligten Gene, insbesondere das IPT-codierende Gen, reguliert?

Was Flora und Fauna verbindet

Zwar handelt es sich tatsächlich um den ersten Fall, in dem der genetische Nachweis gelang, dass parasitäre Tiere Cytokinin der Marke Eigenbau zu Manipulationszwecken einsetzen. Das heißt jedoch nicht, dass es Vertreter anderer biologischer Klassen nicht auch tun. Bakterien, wie z.B. Agrobacterium tumefaciens tun es, ebenso wie Pilze. Und das nicht immer nur aus Eigennutz wie der Fadenwurm, sondern auch im gegenseitigen Einvernehmen. Im Rahmen mutualistischer Symbiosen.

Im übertragenen Sinne macht die Studie deutlich:  Flora und Fauna stehen manchmal in einem weitaus engeren Kontakt, als auf den ersten Blick scheint. In manchen Fällen, wie es die aktuelle Studie zeigt, sprechen die Vertreter beider Welten sogar dieselbe „Sprache“.

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