Immunität durch Photosynthese

Pflanzen können durch die Photosynthese Sonnenlicht in chemische Energie umwandeln. Dieser gut erforschte Prozess findet in spezialisierten Organellen statt, den Chloroplasten. Diese enthalten Chlorophyll-Pigmente, die für die Lichtabsorption zuständig sind. Während der Lichtabsorption ist das angeregte Chlorophyll hoch reaktiv, es entstehen Sauerstoffradikale. Diese können den Pflanzenzellen Schaden zufügen, daher wird die Lichtabsorption von Pflanzen streng kontrolliert. Darüber hinaus haben Pflanzen die Möglichkeit überschüssige Energie als Wärme abzuleiten und Sauerstoffradikale unschädlich zu machen. So sorgen Pflanzen für eine optimale Energienutzung um ihre Zuckerspeicher in einer veränderlichen Umwelt immer gut gefüllt zu halten.

Diese gespeicherten Zucker sind die Basis für alle Lebewesen die keine Photosynthese betreiben. Nicht nur wir Menschen ernähren uns von Gemüse und Früchten, viele pathogene Mikroben werden ebenfalls von den Zuckern angelockt, und besiedeln Pflanzen um diese als Energiequelle nutzen zu können. Pflanzen schützen sich gegen solche Eindringlinge mit einem mehrschichtigen Immunsystem. Im Gegensatz zu dem menschlichen Immunsystem, das auf dem Einsatz von spezialisierten, beweglichen Immunzellen beruht, sind Pflanzenzellen unbeweglich, so dass jede einzelne Zelle das gesamte Immunabwehrrepertoire enthält, um eine Vielzahl von Krankheitserregern zu bekämpfen.

In den letzten Jahren wurde deutlich, dass Pflanzen die Sauerstoffradikale, welche als gefährliches Abfallprodukt der Photosynthese entstehen, zur Verteidigung gegen Pathogene einsetzen. Auf eine eher unspezifische Art und Weise wird in den Chloroplasten dazu ein Schwall Sauerstoffradikale produziert, die dann Pflanzenzellen im infizierten Bereich des Blattes abtöten. Dieser lokale Zelltod begrenzt sehr effektiv die Ausbreitung von Krankheitserregern, die auf lebendes Wirtsgewebe angewiesen sind.

Interessanterweise gibt es neben diesem brachialen Vorgehen auch noch einen zweiten Weg, bei dem Sauerstoffradikale sehr kontrolliert in den Chloroplasten entstehen, um die Vermehrung von Pathogenen zu begrenzen ohne die Pflanzenzelle zu schädigen. Pathogene wirken dem aktiv entgegen, was die Wichtigkeit der Sauerstoffradikale für die Immunabwehr der Pflanzen verdeutlicht. Diese neuen Erkenntnisse werfen interessante Fragen auf:

  • Wie wird dieser Prozess ausgelöst und im weiteren Verlauf kontrolliert um Schäden an Pflanzenzellen zu vermeiden?
  • Wie können Sauerstoffradikale in den Chloroplasten die Ausbreitung von Pathogenen außerhalb der Zelle begrenzen?

Zu verstehen, wie die Photosynthese zur Verteidigung gegen Pathogene beiträgt könnte neue Wege im Pflanzenschutz eröffnen.

Beitrag von Dr. Vera Göhre, Institut für Mikrobiologie, HHU
Deutsche Übersetzung von Sabrina Baltes

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Planter’s Punch

Unter der Rubrik Planter’s Punch wird jeden Monat ein bestimmter Aspekt des CEPLAS Forschungsprogramms vorgestellt. Alle Beiträge werden von Mitgliedern der Graduiertenschule und des Postdoc Programms erstellt.

Zugehörige Publikation

Göhre V (2015) Immune responses: Photosynthetic defence. Nature Plants 1:15079. [Abstract]

Heinrich Heine University
University of Cologne
Max Planck Institute for Plant Breeding Research
Forschungszentrum Jülich