Forscher entdecken Immunabwehrprozesse von Pflanzen

Internationale Studie liefert Werkzeug, um Pflanzen gegen eine breite Vielfalt von Keimen resistent zu machen

Beispiel einer erkrankten kleinen Ackerschmalwand (Copyright: Max-Planck-Institute für Entwicklungsbiologie)

Evanston, Illinois, USA / Tübingen, 22. August 2019. Ein Team internationaler Forscherinnen und Forscher hat Werkzeuge katalogisiert, mit denen Pflanzen krankheitsverursachende Mikroben erkennen und bekämpfen. Die Ergebnisse wurden heute in der internationalen Fachpublikation Cell veröffentlicht und stellen einen bedeutenden wissenschaftlichen Fortschritt für die Pflanzenbiologie dar. Sie liefern wichtige Erkenntnisse für die Bekämpfung gefährlicher Pflanzenkrankheiten, die eine erhebliche Bedrohung für die Lebensmittelsicherheit weltweit sind. 

Genau wie Tiere und Menschen sind auch Pflanzen auf Immunsysteme angewiesen, die ihnen dabei helfen, auf Angriffe durch pathogene Mikroben, wie zum Beispiel Bakterien und Pilze, zu reagieren.  Ein zentraler Bestandteil des pflanzlichen Immunsystems wird aus NLR (nucleotide binding leucine-rich repeat) Proteinen gebildet, die als Rezeptoren fungieren. In unterschiedlichen Kombinationen können sie das sich ständig verändernde Mikrobenspektrum der Umwelt erkennen. 

Trotz des allgemeinen Fortschritts beim Verständnis, wie diese einzelnen Rezeptoren zusammenarbeiten, blieben zentrale Schlüsselfragen offen: Wie sieht das gesamte Spektrum der von Pflanzen produzierten NLR-Proteine aus? Wie stark variieren sie innerhalb einer typischen Pflanzenart? In welchem Umfang benötigen Pflanzen diese NLR-Rezeptoren überhaupt?

Ein internationales Team, das von der 2Blades Foundation durch ein Forschungsstipendium der „Gordon and Betty Moore Foundation“ unterstützt wurde, machte sich daran, das NLR-Repertoire der Arabidopsis thaliana (kleine Ackerschmalwand), einer typischen Modellpflanze in der Biologie, zusammenzustellen.  

Die Untersuchung wurde in den Labors von Detlef Weigel am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen,von Jeffery Dangl am Howard Hughes Medical Institute und an der University of North Carolina sowie von Jonathan Jones am Sainsbury Laboratory in Großbritannien durchgeführt. Forscherinnen und Forscher der University of Bath, der Colorado State University und des Center for Research in Agricultural Genomics (Barcelona) leisteten ebenfalls Beiträge zur Studie.

Das Team untersuchte Pflanzen der Arabidopsis thaliana, die von Krankheitserregern unterschiedlicher Art befallen waren. Darunter befanden sich Pflanzenpopulationen aus Europa, Nordamerika und Asien.  Mit modernsten Sequenzierungstechniken analysierten sie die genetische Vielfalt der NLR dieser Pflanzen und fanden heraus, dass ihr Repertoire von Ort zu Ort verschieden war, und zwar wahrscheinlich aufgrund des unterschiedlichen Selektionsdrucks durch regionale Krankheitserreger.  Das Team überraschte jedoch, eine Obergrenze für die Anzahl der NLR-Gene quer durch alle untersuchten Pflanzen zu finden.

Detlef Weigel, geschäftsführender Direktor am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie, beschreibt die Ergebnisse folgendermaßen: Die Vielfalt der Gene ist zwar begrenzter als wir erwartet hatten, es ist aber vielmehr ihre besondere Kombination, die jedes Individuum einzigartig resistent gegen unterschiedliche Spektren von Krankheitserregern macht.“

„Die vorliegenden Ergebnisse der Studie werden die Art und Weise verändern, wie Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Zukunft mit dem Thema umgehen werden“, erklärt Jonathan Jones am Sainsbury Laboratory. „Eine der bemerkenswerten Schlussfolgerungen, die sich aus dieser Studie ergeben, besteht darin, dass sehr viele Populationen sequenziert werden müssen, um das gesamte Immunsystem jeder Pflanze definieren zu können“, so Jones weiter. „Vorbei sind die Zeiten, in denen eine einzige Referenzsequenz ausreichte, um die Geheimnisse einer Spezies enthüllen zu können; es ist jetzt klar, dass wir die gesamte genetische Vielfalt einer Spezies verstehen müssen, um auch ihr Immunsystem zu verstehen.“

Die Forschungsergebnisse haben also erhebliche Auswirkungen auf unser Verständnis von Landwirtschaft und Pflanzenevolution. Das bestätigt auch Jeffery Dangl am Howard Hughes Medical Institute: „Diese Arbeit wird dazu beitragen, die Entdeckung neuer NLR-Rezeptorfunktionen für die Entwicklung krankheitsresistenter Pflanzen voranzutreiben und wird außerdem als Leitfaden für die Analyse ihrer Entwicklung im gesamten Pflanzenreich dienen.“

Die Koordination und Unterstützung der Studie wurde von der 2Blades Foundation übernommen, einer internationalen Organisation, die sich dem Verständnis von Pflanzenkrankheiten und der Förderung von Forschungsvorhaben zu dauerhaften Pflanzenresistenzen gegen Erkrankungen widmet.  2Blades hat mit seinen Forschungsprogrammen bereits in Feldversuchen gezeigt, dass der Schutz vor schweren, nicht aufhaltbaren Krankheiten in Nutzpflanzen durch die Einführung von Resistenzgenen verwandter Pflanzenarten ausgedehnt werden kann. Das grundlegende Wissen aus der Studie über NLR-Proteine wird in neue Strategien laufender Stiftungsprogramme sowie in Forschungsbereiche der Pflanzen-Mikroben-Interaktionen einfließen.  Diese Studie wurde teilweise von der „Gordon and Betty Moore Foundation“ durch Forschungsstipendium GBMF4725 an die 2Blades Foundation mitfinanziert.  

Originalveröffentlichung: https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30837-2


Kontakt

Prof. Dr. Detlef Weigel
Geschäftsführender Direktor
Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

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e-Mail: detlef.weigel(at)tuebingen.mpg.de

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Dr. Daniel Fleiter

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e-Mail: daniel.fleiter(at)tuebingen.mpg.de

2Blades Foundation
Dr. Diana Horvath

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