Sauer nach Erstkontakt

Ein internationales Team hat nachgewiesen, dass der pH-Wert in Pflanzen nach dem Befall mit Pilzen saurer wird. Was in den Zellen genau passiert, haben sie in einer Studie beschrieben.

Schädliche Bodenpilze wie Schimmelpilze der Art Fusarium oxysporum sind gefürchtete Pflanzenpathogene. Sie können praktisch alle Nutzpflanzen befallen, bedrohen aber auch viele natürliche Ökosysteme.

Die richtige Balance finden

Wird eine Pflanze von Pathogenen angegriffen, steckt sie in einem Dilemma: Wenn sie viel Energie in die Pathogenabwehr investiert, kann sie kaum noch wachsen. Auch das wiederum schmälert ihre Überlebenschancen. Sie muss am Ende die richtige Balance zwischen Verteidigung und Wachstum finden. Nun fand ein internationales Forschungsteam einen wichtigen Faktor, der dieses Gleichgewicht unmittelbar beeinflusst: den pH-Wert in der Pflanze.

Interaktion von Pilz und Arabidopsis-Wurzeln untersucht

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Dazu untersuchte das Team, was bei einer Pilzinfektion in den Wurzelzellen der Versuchspflanze Arabidopsis thaliana passiert. Als Pathogen wählten die Forscher F. oxysporum 5176 (Fo5176).

Der Pilz heftet sich zunächst an die Außenwand der Pflanzenwurzeln und dringt durch natürliche Öffnungen ein. Dann wachsen die Pilzhyphen intrazellulär in Richtung Leitgewebe (Xylem) und verbreiten sich von hier in der ganzen Pflanze. Die Zellwände sind daher die erste Barriere für den Pilz, jedoch weiß man bisher sehr wenig darüber, wie hier biotische Reize wie ein Pilzbefall wahrgenommen und die Information weitergeleitet werden. Im Labor betrachteten die Biologen zunächst, wie sich bei einem Pilzbefall der Cellulose-Gehalt und die Struktur dieser Moleküle in den Zellwänden sowie der pH-Wert verändert.

Versauerung beobachtet

Die Experimente zeigten, dass der pH-Wert im Apoplast – der Gesamtheit aller Zellwände und den Zellzwischenräumen – durch den Kontakt mit den Pilzhyphen innerhalb weniger Minuten von durchschnittlich 5,4 auf unter 5,0 fiel – demnach saurer wurde. Um das messen zu können, haben die deutschen Partner vom Centre for Organismal Studies (COS) Heidelberg rund um Prof. Karin Schumacher neue pH-Sensoren entwickelt. Damit konnte der pH-Wert auf beiden Seiten der Zellmembran gemessen werden. Auf der anderen Seite der Zellmembran, also in den Pflanzenzellen, lag der Wert bei rund 7 – also im neutralen Bereich. Warteten die Biologen etwas länger, versauerte sich das ganze Gewebe rund um die Zellmembranen.

Das Forschungsteam fand auch den Auslöser der Versauerung: Membrangebundene Protonenpumpen (H+-ATPasen), die Wasserstoffionen in den Apoplast befördern, wurden nach dem Pilzbefall aktiviert.

Spürbare Folge: Pflanzenwachstum wird sofort unterbunden

Die schnelle und lokale Veränderung des pH-Wertes hatte direkte negative Auswirkungen auf die Pflanze: die Cellulosemenge in den Zellwänden und das Pflanzenwachstum verringerten sich deutlich.  

„Der Wachstumsstopp ist ein direktes Symptom der erfolgreichen Pilzinfektion. Der pH-Wert hat demnach einen Einfluss auf die Pathogenität des Pilzes“, ergänzt Prof. Clara Sánchez-Rodríguez, Studienleiterin des Forschungsprojektes von der ETH Zürich. Allerdings ist noch unklar, ob die Pflanze als Reaktion auf den Pilzbefall die Veränderungen anstößt oder der Pilz aktiv die Pflanze dazu bringt den pH-Wert abzusenken. Auf jeden Fall wird die Biochemie der Pflanze vom Pilz beeinflusst. Die Ergebnisse der Studie weisen auch darauf hin, dass die Pflanzenabwehr vom pH-Wert abhängig ist – die Verteidigung durch die Veränderungen lahmgelegt wird.

Ein wichtiger Mitstreiter 

Die Aktivierung der Protonenpumpen sowie die Cellulosesynthese sind abhängig von sogenannten COMPANION OF CELLULOSE SYNTHASE-Proteinen. „Im Experiment zeigten modifizierte Pflanzen, denen zwei der wichtigsten Proteine dieser Gruppe fehlten, keine signifikanten Veränderungen beim Wachstum und sie waren weniger von Pilzen besiedelt als die Kontrollpflanzen“, erläutert Dr. Christopher Kesten, Erstautor der Studie. Sie sind damit ein wichtiger Ansatzpunkt, um Pflanzenwachstum und -abwehr zu verstehen und möglicherweise die Abwehrkräfte von Pflanzen zu stärken.