Pflanzenhormon mit Spezialauftrag
Wie das Enzym PLL2 die Systemin-Abwehr von Tomaten gegen Insekten steuert
Typischer Schaden der Tomatenminiermotte (Tuta absoluta): Die Insektenlarven fressen sich durch Blätter und Früchte, hinterlassen silbrige Miniergänge und schwächen so die Pflanze erheblich. (Bildquelle © Metin GULESCI, Bugwood.org / Wikimedia Commons, CC BY 3.0 US)
Systemin ist ein kleines Signalmolekül, das Tomaten nach Fraßschäden in Alarm versetzt. Forschende der Universität Hohenheim und Partnerinstitutionen haben gezeigt, wie sich dieser Signalweg von anderen pflanzlichen Abwehrreaktionen unterscheidet: Entscheidend ist das Enzym Poltergeist-Like 2 (PLL2), das nach Aktivierung gezielt Protonenpumpen hemmt. Diese pH-Änderung löst eine Kaskade aus, die zu verstärkter Insektenresistenz führt – dies eröffnet neue Ansätze für die Züchtung resistenter Sorten.
Infobox: Warum heißt PLL2 „Poltergeist-Like 2“?
Der Name „Poltergeist“ stammt aus der Forschung an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Dort führte eine Mutation im Poltergeist-Gen zu Störungen in der Gewebeorganisation, als ob „unsichtbare Kräfte“ die Entwicklung durcheinandergebracht hätten – eine Anspielung auf das Spukwesen aus der Folklore. Später wurden in anderen Pflanzen „Poltergeist-like“-Gene entdeckt, die eng mit diesem Ursprungsgen verwandt sind. Das Tomaten-Gen PLL2 („Poltergeist-Like 2“) gehört zu dieser Familie und spielt im Systemin-Signalweg eine zentrale Rolle.
Pflanzen verfügen über ein komplexes Abwehrsystem, das auf sehr unterschiedliche Bedrohungen reagieren kann – vom Bakterienbefall bis zum Raupenfraß. Dabei spielen Peptidhormone wie Systemin eine besondere Rolle: Sie verstärken lokale Wundreaktionen und leiten so die Produktion weiterer Signalmoleküle ein, die Abwehrgene in entfernten Geweben aktivieren. Bislang war jedoch unklar, wodurch sich der Systemin-Signalweg von anderen Immunreaktionen wie der Mustererkennung (pattern-triggered immunity, PTI) unterscheidet. Die nun veröffentlichte Studie liefert die Antwort: Ein spezifisches Enzym im Plasmamembran-Signalnetzwerk, das Poltergeist-Like 2, ist der zentrale Schalter.
Systemin – mehr als nur ein Wundsignal
Systemin wurde als erstes pflanzliches Signalmolekül seiner Art beschrieben. Es besteht aus 18 Aminosäuren und wird aus einer größeren Vorläuferproteinkette herausgeschnitten. Nach Verletzung durch Insekten bindet Systemin an den Rezeptor SYR1 in der Zellmembran und löst eine Reihe schneller Reaktionen aus – unter anderem eine Alkalisierung außerhalb der Zellen, eine Veränderung der Membranspannung und die Aktivierung der Jasmonat-Produktion, die für Insekten- und Pilzabwehr entscheidend ist.
Wildtomate Solanum peruvianum: Diese wilde Verwandte der Kulturtomate verfügt über eine besonders starke Insektenabwehr und dient deshalb als wertvolle genetische Ressource für die Forschung und Züchtung.
Bildquelle: © Cstobie / KnowYourWeeds.com, CC BY 4.0
Phosphoproteomik enthüllt den entscheidenden Unterschied
Um zu verstehen, wie sich der Systemin-Weg von anderen Abwehrsignalen unterscheidet, analysierte das Forschungsteam mittels Phosphoproteomik, welche Proteine nach Systemingabe ihre Phosphorylierung verändern. Dafür nutzten sie eine Zellkultur aus der Wildtomate Solanum peruvianum, die besonders empfindlich und reproduzierbar auf Systemin reagiert. So konnten die frühen Signalketten präzise erfasst und Wildtyp sowie Rezeptor-Mutanten direkt verglichen werden. In diesen Zellen führte Systemin – aber nicht andere Signale wie flg22, ein typisches Bakterien-Warnsignal aus einem Geißelprotein – zu einer schnellen, vorübergehenden Dephosphorylierung bestimmter Proteine. Besonders auffällig war das Enzym Poltergeist-Like 2 (PLL2), dessen Aktivität durch diese Dephosphorylierung stark zunahm.
PLL2 schaltet Protonenpumpen ab
PLL2 greift gezielt an einem entscheidenden Schalter an: den Plasmamembran-H+-ATPasen LHA1 und LHA4. Diese Pumpen transportieren Protonen nach außen und regulieren damit den pH-Wert an der Zelloberfläche. Durch Dephosphorylierung schaltet PLL2 diese Pumpen ab, was zu einer schnellen Alkalisierung führt – ein notwendiger Schritt, um die nachfolgende Aktivierung von Abwehrgenen einzuleiten. Versuche in Hefezellen und in Tabakpflanzen bestätigten diese Funktion.
Tabakschwärmer (Manduca sexta): Die Raupen dieses Nachtfalters dienten in der Studie als Modellschädlinge, um die Wirksamkeit des Systemin-PLL2-Abwehrwegs in Tomaten zu testen.
Bildquelle: © EricM, Wikimedia, CC BY-SA 3.0
Genetischer Beweis: Ohne PLL2 keine volle Abwehr
Um die Rolle von PLL2 zu prüfen, schaltete das Team das entsprechende Gen mithilfe der Genschere CRISPR/Cas9 gezielt aus. Diese sogenannten Knock-out-Mutanten der Tomate zeigten deutlich veränderte Reaktionen: Die systemininduzierte pH-Änderung blieb aus, die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) und die Aktivierung von Abwehrgenen waren reduziert. Fressversuche mit Tabakschwärmer-Raupen (Manduca sexta) belegten den biologischen Effekt: Auf pll2-Mutantenpflanzen wuchsen die Larven schneller und nahmen mehr Masse zu als auf Wildtyp-Pflanzen.
Abgrenzung zu anderen Signalwegen
Während PLL2 in der Systemin-Abwehr wie ein Gaspedal für die Abwehr wirkt, haben sehr ähnliche Enzyme in anderen Pflanzenarten, wie Arabidopsis, eher die Rolle einer Bremse. In Tomaten wird PLL2 durch Entfernen einer Phosphatgruppe (Dephosphorylierung) aktiviert – dadurch startet die Abwehrreaktion. Bei den verwandten Enzymen in Arabidopsis passiert das Gegenteil: Sie werden mit einer Phosphatgruppe versehen (phosphoryliert) und lösen sich daraufhin vom Rezeptorkomplex, wodurch die vorher angezogene Bremse gelöst wird. So wird dort die Abwehr erst freigegeben. Dieser Unterschied in der Steuerung erklärt, wie Pflanzen zwischen verschiedenen Gefahrensignalen unterscheiden und gezielt die passende Abwehrstrategie einsetzen können.
Wildverwandte als Schatzkammer für Abwehrgene
Joram erklärt die Genschwere CRISPR/Cas9 - ausgezeichnet im Fast Forward Science Webvideo-Wettbewerb.
Videoquelle: Videoquelle: ©erforschtCRISPR/Youtube.com
Die Experimente nutzten bewusst eine Zellkultur aus der Wildtomate Solanum peruvianum, die besonders empfindlich und reproduzierbar auf Systemin reagiert – deutlich stärker als viele Kulturtomaten-Zellkulturen. Diese ausgeprägte Reaktion spiegelt sich auch in einer insgesamt effektiveren Abwehr wider, wie die Studie zeigt. Wildverwandte von Kulturpflanzen verfügen oft über solche robusten Abwehrmechanismen, die im Laufe der Domestikation teilweise verloren gegangen sind. Sie sind daher eine wichtige genetische Ressource, um gezielt Resistenzgene oder besonders wirksame Signalweg-Komponenten wie PLL2 in moderne Sorten einzubringen. Die Autor:innen betonen, dass PLL2 aufgrund seiner Spezifität im Systemin-Signalweg ein attraktives Ziel für die Pflanzenzüchtung darstellt: Eine Optimierung dieses Schalters könnte es ermöglichen, die Insektenabwehr gezielt zu verstärken, ohne andere Abwehrwege zu stören oder das Pflanzenwachstum zu beeinträchtigen.
Quelle:
Li, R. et al. (2025): Poltergeist-Like 2 (PLL2)-dependent activation of herbivore defence distinguishes systemin from other immune signalling pathways. In: Nature Plants (04. Juli 2025). doi: 10.1038/s41477-025-02040-7
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Titelbild: Typischer Schaden der Tomatenminiermotte (Tuta absoluta): Die Insektenlarven fressen sich durch Blätter und Früchte, hinterlassen silbrige Miniergänge und schwächen so die Pflanze erheblich. (Bildquelle © Metin GULESCI, Bugwood.org / Wikimedia Commons, CC BY 3.0 US)
