Freund oder Feind? Wie können Pflanzen zwischen nützlichen und schädlichen Mikroorganismen unterscheiden?

Pflanzen verbringen ihr gesamtes Leben an einem Ort und können nicht einfach weglaufen, wenn es mal brenzlig wird. Deshalb brauchen sie ein sehr gutes Immunsystem, um sich gegen Schädlinge im Boden oder in der Luft zu verteidigen. Das Immunsystem der Pflanzen ist „angeboren“ und nicht anpassungsfähig, wie das Immunsystem von Tieren und damit auch uns Menschen. Das heißt jedoch keinesfalls, dass das Immunsystem der Pflanzen schlechter ist als das von Tieren. Neben mechanischen Barrieren besitzen Pflanzen Rezeptoren in ihrer Zellhülle (Zellmembran), mit denen sie molekulare Muster von Mikroorganismen (Pilze, Bakterien etc.) , sogenannte MAMPs, erkennen können. MAMPs sind Stoffe, die spezifisch für Mikroorganismen sind, d.h. nicht in Pflanzen vorkommen. Gleichzeitig sind sie in vielen Spezies vorhanden und bilden damit die Grundlage für einen generellen Erkennungsmechanismus. Die Erkennung molekularer Muster findet im Apoplasten statt. Der Apoplast ist der Raum, der die einzelnen Pflanzenzellen voneinander trennt. Hier treten Mikroorganismen und Pflanzenzellen in den ersten Kontakt zueinander.

 

Ein Beispiel für ein molekulares Muster ist Chitin. Chitin ist ein Zucker, der in der Zellwand von Pilzen vorkommt, nicht aber in der Zellwand von Pflanzen. Mit Chitin-Rezeptoren können Pflanzen also erkennen, dass ein Pilz in ihrer Nähe ist. Dies führt dazu, dass das Immunsystem der Pflanze aktiviert wird. Das bedeutet, es werden z.B Kanäle in der Membran geöffnet, die den Durchtritt für elektrisch geladene Teilchen (Ionen) ermöglichen. Der Einstrom von Ionen (insbesondere Calcium-Ionen) führt dazu, dass in kürzester Zeit ein Alarmsignal durch die Zelle weitergeleitet wird. Ein weiterer Mechanismus ist die Produktion von sogenannten reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) außerhalb der Zelle im Apoplasten. Einerseits erzeugen diese sauerstoff-basierten Moleküle aufgrund ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften ein giftiges Milieu für Mikroorganismen. Außerdem dienen sie als Signalmoleküle, die es der Pflanze ermöglichen, gezielt Gene einzuschalten, was die Pflanze in ihrer Abwehr gegen Mikroorganismen unterstützt. Doch nicht alle Mikroorganismen im Boden oder in der Luft sind schädlich für Pflanzen. Vor allem im Boden leben viele Mikroorganismen, die positive Auswirkungen auf die Pflanze haben und ihr z.B. helfen, sich gegen schädliche Mikroorganismen zu verteidigen (biotischer Stress) oder besser mit extremen Klimabedingungen, wie z.B. Trockenheit oder Hitze, klar zu kommen (abiotischer Stress). Sie können ihr auch helfen, indem sie zu einem Wachstumsschub führen. So auch zum Beispiel der Pilz Serendipitaindica (kurz S. indica).  S. indica kann viele verschiedene Pflanzen bewachsen, u.a. auch die Nutzpflanze Gerste und die Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Daher eignet sich S. Indica gut, um die Interaktion von Organismen, die in einer Wirtspflanze leben, sogenannten Endophyten mit Pflanzen zu untersuchen. Die Kolonisierung durch S. Indica führt z.B. zu Wachstumsförderung, erhöhtem Ertrag und Schutz gegen Krankheitserreger. Doch wie kann die Pflanze zwischen nützlichen und schädlichen Pilzen unterscheiden?

Lange hat man sich auf die Untersuchung von Krankheitserregern und wie diese das Immunsystem der Pflanzen anschalten, fokussiert. Doch auch nützliche Pilze und Bakterien besitzen dieselben molekularen Muster, die von Pflanzen erkannt werden können. Sie müssen es jedoch schaffen das Immunsystem zu umgehen, um für lange Zeit mit der Pflanze und sogar in der Pflanze leben zu können. Wie es nützlichen Mikroorganismen gelingt die Pflanze zu bewachsen, ohne vom Immunsystem abgewehrt zu werden, versuche ich in meiner Arbeit zu beantworten. Im Speziellen beschäftige ich mich mit der Rolle von Lipiden und Lipasen (Enzyme, die Lipide schneiden o.ä.) in der Interaktion von S. Indica mit Arabidopsis thaliana oder Gerste.

Bei der Aktivierung der pflanzlichen Immunabwehr spielen die molekularen Muster, welche der Pflanze die Anwesenheit von Mikroorganismen anzeigen, eine wichtige Rolle. Neben den Zuckern, wie z.B. Chitin oder Proteinen (z.B. Flagellin) können auch Lipide als MAMPs erkannt werden. Lipide sind die Hauptbestandteile von Zellmembranen und eine diverse Gruppe von Molekülen (z.B. Fettsäuren, Sterole). Neben Lipiden aus bakteriellen Zellmembranen, kann auch das Sterol-Lipid Ergosterol, das speziell in der Zellmembran von Pilzen vorkommt, von Pflanzen als MAMP und somit als Anzeiger für die Anwesenheit von Pilzen erkannt werden. Der genaue Erkennungsmechanismus ist jedoch noch nicht bekannt. Man weiß allerdings, dass z.B. die Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies im Apoplasten durch Ergosterol aktiviert wird, d.h. das Immunsystem der Pflanze aktiviert wird. Es ist weiterhin bekannt, dass Lipasen sowohl im Pilz als auch in der Pflanze, in vermehrter Weise produziert werden, wenn beide Organismen in Kontakt sind. Diese Enzyme könnten zum einen zur Ernährung des Pilzes oder der Pflanze beitragen, indem sie Lipide zerkleinern und zugänglich machen. Sie könnten aber auch z.B. Ergosterol oder andere immun-aktivierende Lipide von S. indica modifizieren und damit die Erkennung hemmen. In meiner Doktorarbeit versuche ich, die molekularen Mechanismen aufzuklären, die es nützlichen Pilzen erlauben, eine Wirtspflanze zu bewachsen, ohne dabei vom Immunsystem der Pflanze erkannt und ausgelöscht zu werden. Dabei fokussiere ich mich auf das Zusammenspiel von Lipiden und Lipasen und wie deren Interaktion dazu beiträgt, eine für beide Organismen nützliche Symbiose zu ermöglichen.

 

Die Abbildungen wurden mit Biorender erstellt.

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.

 

Über die Autorin

Pia Saake ist Doktorandin and der Universität zu Köln im Institut für Pflanzenwissenschaften in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Alga Zuccaro. Die AG hat sich darauf spezialisiert die Interaktion des nützlichen Endophyten Serendipita indica mit Pflanzen wie Gerste und Arabidopsis thaliana zu untersuchen. Pia beschäftigt sich vor allem mit der Aktivierung des Immunsystems der Pflanzen während der Interaktion und wie die Symbiose zwischen Pilz und Pflanze etabliert werden kann. Insbesondere die Frage welche Rolle Lipide und Lipasen in der Interaktion von Serendipita indica und Gerste oder Arabidopsis thaliana spielen, fasziniert sie.

Zum Nachlesen

Mehr über Lipide bei der Immunabwehr:

Klemptner et al., „Ergosterol, an orphan fungal microbe-associated molecular pattern (MAMP)”, Molecular Plant Pathology, 2014. https://doi.org/10.1111/mpp.12127 

Mehr über Sebacinales (S. indica):

Weiss et al., “Sebacinales – one thousand and one interactions with land plants”, New Phytologist, 2016. https://doi.org/10.1111/nph.13977 

Mehr über das pflanzliche Immunsystem:

DeFalco and Zipfel, “Molecular mechanisms of early plant pattern-triggered immune signaling”, Molecular Cell, 2021. https://doi.org/10.1016/j.molcel.2021.07.029 

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