Wie Pflanzen Krankheitserreger von innen heraus bekämpfen
Pilz- und Bakterieninfektionen zerstören jährlich bis zu 40 % der Kulturen, und Landwirtschaftsbetriebe schützen ihre Kulturen seit Generationen durch den Einsatz chemischer Pestizide. Diese Mittel tragen zwar zur Ernährungssicherheit bei, sind jedoch aufgrund ihrer wahllosen Wirkung insgesamt schädlich für die Umwelt. Daher zielt die Strategie „Vom Hof auf den Tisch(öffnet in neuem Fenster), eine zentrale Säule des europäischen grünen Deals, darauf ab, den Einsatz von Pestiziden bis 2030 um 50 % zu reduzieren. Eine Abkehr von Pestiziden erfordert einen völlig neuen Ansatz zur Gewährleistung der Pflanzenresilienz. Mit finanzieller Unterstützung durch das Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmenprogramm(öffnet in neuem Fenster) untersuchte Projekt ImmunoZoneHubs die in Pflanzen bereits vorhandenen natürlichen Abwehrstrategien gegen Infektionen.
Technologiebasierte Strategien auf Arabidopsis thaliana anwenden
Die in Europa heimische und zur Familie der Kreuzblütler gehörende Art Arabidopsis thaliana(öffnet in neuem Fenster) wird häufig für die Erforschung der Zellbiologie von Pflanzen verwendet. Arabidopsis gilt als Modellorganismus, da sie leicht zu züchten ist, einen schnellen Lebenszyklus hat und ein kleines Genom aufweist. Um die in Arabidopsis-Zellen ablaufenden Immunreaktionen zu verstehen, wandte das Forschungsteam des Projekts Techniken aus der Biochemie, Zellbiologie und Molekulargenetik sowie rechnergestützte Tools an. Diese Strategien führten zum Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen, die Pflanzen die Erkennung und Abwehr von Infektionen ermöglichen.
Mechanismen zur Steuerung des immunitätsbezogenen Zelltods
Die Immunantwort bei Pflanzen erfordert, ebenso wie bei Tieren, dass Zellen einen Erreger erkennen und zerstören. Dieser Vorgang beruht auf dem programmierten Zelltod von infizierten Zellen sowie auf Zellen, die sich als Reaktion auf den Erreger umstrukturiert haben und sich in einem Zustand erhöhter immunologischer Alarmbereitschaft befinden. Das Forschungsteam fand heraus, dass bei Aktivierung des Immunsystems die Protease Metacaspase 1 (MC1)(öffnet in neuem Fenster) ihren Ort in der Zelle wechselt und mit wesentlichen Komponenten des Immunsystems interagiert, wodurch die Signalübertragung der zellulären Immunität wirksam verstärkt wird. Solche Zellen können jedoch eine Autoimmunreaktion auslösen, wenn sie erhalten bleiben. Die MSCA-Stipendiatin Laia Armengot erklärt dazu: „Diese makromolekularen MC1-Knotenpunkte werden anschließend vom pflanzlichen Autophagieapparat, dem internen Recyclingmechanismus der Pflanze, ins Visier genommen und abgebaut. Dies offenbart einen homöostatischen ‚Ausschalter‘, der den Auslöser für den Zelltod deaktiviert, sobald die Bedrohung eingedämmt ist.“ Markergene spielen ebenfalls eine entscheidende Rolle bei der Steuerung des immunitätsbezogenen Zelltods. „Ein wichtiges Ergebnis des Projekts ist die funktionelle Charakterisierung eines Markergens, das als zuverlässiger Indikator für den Entschluss zum zellulären Selbstmord dient und neue enzymatische Aktivitäten sowie subzelluläre Funktionen aufdeckt, die die Entscheidungen der Zelle über Leben und Tod bei Umweltbelastungen wie dem Befall durch Krankheitserreger regulieren“, erklärt Armengot.
Potenzial für die Anwendung in der Landwirtschaft
Wenn die Wirkungsweise von Markergenen und MC1-Knotenpunkten bei landwirtschaftlichen Kulturpflanzen wie auch bei Modellpflanzen klar ist, können die Erkenntnisse des Projekts die Nahrungsmittelerzeugung in Europa potenziell von Grund auf ändern. „Das Wissen um die natürliche Begrenzung von Zelltodzonen und Abschalten von Immunkaskaden durch Pflanzen“, merkt Armengot an, „ermöglicht in der Pflanzenzucht die Entwicklung ‚intelligenterer‘ Kulturen mit einer eingebauten genetischen Resistenz, die Infektionen stoppt und gleichzeitig Kollateralschäden am Gewebe sowie Ernteertragsverluste minimiert.“ Die von ImmunoZoneHubs entdeckten Immunreaktionsmechanismen gelten universell und nicht nur für einen bestimmten Erreger. Diese Mechanismen erklären nicht nur die Reaktion einer Pflanze auf pilzliche oder bakterielle Bedrohungen, sondern könnten das wissenschaftliche Verständnis über die Reaktion eines Organismus auf andere Umweltstressoren wie Hitze oder Dürre fördern. Dank der großen Vielfalt technologiebasierter Strategien des Projekts sind die Ziele der Strategie „Vom Hof auf den Tisch“ in greifbare Nähe gerückt.
