Wehrlos ausgeliefert
Schadpilz schwächt das gesamte Immunsystem von Weizen
Pycnidien, die Pilzfruchtkörper, auf einem Weizenblatt in einem Infektionsexperiment: Ihre Zählung hilft bei der Beurteilung der Fähigkeit der Pilze, die Pflanze zu infizieren. (Bildquelle: © Dr. Amine Hassani)
Weizenpflanzen werden immer wieder von Schaderregern wie dem weitverbreiteten Pilz Zymoseptoria tritici befallen. Wie groß die Gefahr durch diesen Pilz ist, zeigt sich an der Menge von eingesetzten Pflanzenschutzmitteln: 70 Prozent des Gesamtvolumens an Pestiziden in Deutschland fallen auf die Bekämpfung von Z. tritici. Forscher haben nun die Mechanismen einer resistenten Weizensorte untersucht und dabei auch herausgefunden, wie der Schadpilz das Immunsystem nicht-resistenter Sorten beeinträchtigt.
Rund 25 Millionen Tonnen Weizen werden in Deutschland jährlich geerntet. Er ist eine der bedeutendsten Kulturpflanzen weltweit und mit Blick auf die globale Ernährungssicherung wird im Rahmen unzähliger Studien daran geforscht, die Sorten widerstandsfähiger zu machen. Vor allem Pilze sind eine ständige Bedrohung für die Ernten, denn die Erreger sind sehr anpassungsfähig und überlisten nach und nach sogar resistente Sorten.
Ein Forscherteam der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat nun die Wirkmechanismen des Befalls von Zymoseptoria tritici identifiziert. Die Wissenschaftler konnten nachweisen, dass eine Infektion den gesamten Stoffwechsel der Pflanzen beeinflusst und zu einer systemischen Unterdrückung des Immunsystems führt. Dies spiegelt sich auch in einer veränderten Zusammensetzung des Mikrobioms wider.
Pilzsporen beeinträchtigen das Immunsystem von anfälligen Sorten
Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme von Pilzhyphen, die eine Spaltöffnung des Weizenblatts in der frühen Phase einer Infektion durchwachsen.
Bildquelle: © Dr. Janine Haueisen
Das Team rund um Professorin Eva Stukenbrock konzentrierte sich in der Studie auf zwei etablierte Weizensorten: ‚Chinese Spring‘, die gegen Z. tritici resistent ist und ‚Obelisk‘, eine für den Pilz anfällige Sorte.
Die Forscher konnten zeigen, dass die resistenten Weizenpflanzen bei einer Infektion mit den Pilzsporen mit der Produktion von fungiziden Abwehrstoffen reagieren. Außerdem entdeckten sie Metabolite, die die Zellwände im Blattgewebe zusätzlich verstärken und so die Ausbreitung des Erregers bremsen.
Bei der anfälligen Weizensorte Obelisk beobachteten sie hingegen eine andere Reaktion: Diese Weizenpflanzen waren nicht in der Lage, abwehrende Stoffwechselprodukte auszuschütten oder ihre Zellwände zu verdichten. Dr. Heike Seybold, ehemalige Postdoktorandin in Stukenbrocks Arbeitsgruppe und aktuell Wissenschaftlerin an der Hebrew University of Jerusalem, erklärt: „Interessanterweise sind diese Effekte nicht lokal auf den Infektionsherd begrenzt. Wir konnten zeigen, dass es im Zuge des Pilzbefalls bei bestimmten Weizensorten zu einer systemischen Unterdrückung des Immunsystems kommt und vermuten, dass der Pilz diesen Effekt bewirken kann.“
Pilz verändert das Mikrobiom von Weizenpflanzen
Doch wie schafft der Pilz das? Um diese Frage beantworten zu können, untersuchten die Wissenschaftler auch das Mikrobiom der beiden Weizenpflanzen – also die Mikroorganismen im Boden in direkter Nähe zu den Wurzeln. Es ist bekannt, dass das Mikrobiom der Pflanze auch als externes Immunsystem dient.
Die Ergebnisse sind eindeutig: „Bei der pilzresistenten Sorte nimmt die Diversität der verschiedenen Arten innerhalb des Mikrobioms ab, sobald die Pflanze infiziert wird“, erläutert die Forscherin. „Das bedeutet, dass vor allem die zum Kernmikrobiom gehörenden Arten verbleiben, während die Immunantwort hochgefahren wird.“ Diese Eigenschaft der ‚Chinese Spring‘-Pflanzen ist am wahrscheinlichsten auf evolutionäre Anpassung zurückzuführen. Nicht-resistente Pflanzen zeigten diese Anpassungsstrategie des Mikrobioms nicht und waren auch deshalb anfälliger für die Infektion mit dem Pilz.
Immunantwort wurde mit weiteren Tests untersucht
Um die Auswirkungen eines Pilzbefalls mit Z. tritici weiter zu erforschen, führte das Team zusätzliche Versuche mit dem Bakterium Pseudomonas syringae durch. Es verursacht bei vielen Kulturpflanzen Frostschäden und bewirkt bei Baumarten wie Esche und Kastanie das Absterben von Kambiumzellen.
Anhand von Agarplatten mit Pseudomonas-Bakterien, die aus Weizen nach vorheriger Infektion isoliert wurden, lässt sich die Menge der Bakterien bestimmen, die im Inneren der Pflanze wachsen.
Bildquelle: © Dr. Heike Seybold
Dabei wurde entweder die Bakteriensuspension oder eine Kontrollflüssigkeit auf das zweite Blatt von 15 Tage alten Weizenpflanzen aufgetragen. Anschließend wurden die Pflanzen in einer Plastiktüte versiegelt vier Tage in Phytokammern inkubiert. Das Wachstum des Pathogens wurde durch Zählen der Bakterien mithilfe von Verdünnungsreihen nach einer Extraktion gemessen.
Bakterienwachstum zeigt die Immunsuppression bei ‚Obelisk‘
Die Untersuchungen ergaben, dass bei der künstlichen Infektion von gesunden Weizenpflanzen die Bakterien auf beiden Sorten gleich gut gedeihen. „Unterschiede im Bakterienwachstum treten erst auf, wenn man beide Sorten gleichzeitig, aber räumlich getrennten mit Z. tritici und dem Bakterium infiziert“, erläutert Seybold. ‚Chinese Spring‘ konnte in diesem Fall sowohl den Pilz als auch die Bakterien erfolgreich abwehren. Pflanzen der Sorte ‚Obelisk‘ wurden stattdessen anfälliger für die Bakterien. „Dies unterstreicht, dass der Pilz in der Lage ist, unabhängig vom Infektionsort das Immunsystems des Weizens insgesamt zu unterdrücken“, ergänzt Seybold weiter.
Wegweisend für mehr Nachhaltigkeit im Pflanzenschutz
Stukenbrock betont, wie wichtig die Forschung in diesem Bereich ist: „Unsere neue transdisziplinäre Studie ist für die weitere Erforschung von nachhaltigen Pflanzenschutzstrategien von großer Bedeutung. Wir konnten erstmals belegen, wie ein Pflanzenschädling eine systemische Immunantwort bei Nutzpflanzen auslösen und damit eine erhöhte Anfälligkeit gegenüber anderen Schadorganismen verursachen kann.“ Diese Erkenntnisse können zukünftig genutzt werden, um nachhaltigere Strategien im Kampf gegen den Pilz und anderen Pathogenen zu entwickeln.
Quelle:
Seybold, H. et al. (2020): A fungal pathogen induces systemic susceptibility and systemic shifts in wheat metabolome and microbiome composition. In: Nature Communications, (20. April 2020), doi: 10.1038/s41467-020-15633-x.
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Titelbild: Pycnidien, die Pilzfruchtkörper, auf einem Weizenblatt in einem Infektionsexperiment: Ihre Zählung hilft bei der Beurteilung der Fähigkeit der Pilze, die Pflanze zu infizieren. (Bildquelle: © Dr. Amine Hassani)
