Abwehrsysteme der Pflanze und Wurzelmikrobiom

Pflanzen sind im Laufe ihres Wachstums mit vielen Herausforderungen konfrontiert, darunter auch mit Krankheiten, die durch schädliche Krankheitserreger wie Bakterien, Pilze oder Viren verursacht werden. Diese Krankheiten können die Pflanze schwächen, ihr Wachstum verlangsamen und ihre Fähigkeit verringern, Nahrung, Blüten oder Samen zu produzieren. Als Reaktion darauf haben die Pflanzen eine Reihe von Anpassungsstrategien entwickelt, die es ihnen ermöglichen, diesen Bedrohungen zu widerstehen oder sich davon zu erholen.

“Systemic Acquired Resistance“ (SAR) ist ein natürliches Abwehrsystem, mit dem sich Pflanzen vor Krankheiten schützen. Wenn eine Pflanze von einem schädlichen Krankheitserreger befallen wird, wehrt sie sich nicht nur an der Stelle, an der sie angegriffen wird. Stattdessen sendet sie ein Warnsignal an den Rest der Pflanze, so dass jeder Teil besser darauf vorbereitet ist, zukünftige Angriffe abzuwehren. SAR ist ein intelligentes Verteidigungssystem, das den Pflanzen hilft, sich an einen Angriff zu “erinnern“ und stärker zu werden, um einen erneuten Angriff zu verhindern.

Salicylsäure (SA) und N-Hydroxy-Pipecolsäure (NHP) sind die beiden wichtigsten Metaboliten, die am SAR-Prozess beteiligt sind. Wenn die Pflanze angegriffen wird, hilft das Pflanzenhormon SA, die Immunantwort auszulösen. Es ist wie eine „Alarmglocke“, die der Pflanze sagt, dass sie sich verteidigen muss. NHP ist ein weiteres Schlüsselmolekül, das zur Aktivierung und Verstärkung der SAR-Reaktion beiträgt. Nachdem die Pflanze begonnen hat, sich zu verteidigen, trägt NHP dazu bei, die Signale in der gesamten Pflanze zu verbreiten, wodurch die Immunreaktion stärker und umfassender wird. Zusammengenommen machen diese Chemikalien die Pflanze widerstandsfähiger gegen Krankheiten und helfen ihr, gesund zu bleiben, ohne auf Chemikalien wie Pestizide angewiesen zu sein.

Die Biosynthese von NHP in Pflanzen umfasst mehrere Schritte, ausgehend von der Aminosäure L-Lysin. Zunächst wird L-Lysin in Pipecolsäure (Pip) umgewandelt, dann wird eine Hydroxylgruppe hinzugefügt, um N-Hydroxy-Pipecolsäure (NHP) zu bilden. Viele Studien haben gezeigt, dass dieser Pipecolat-Stoffwechselprozess eine entscheidende Rolle bei der Aktivierung der systemischen erworbenen Resistenz in Sprossen spielt, aber seine Funktion in Wurzeln ist unbekannt.

Unter der Erde sind die Pflanzenwurzeln nicht allein; sie sind von einer Vielzahl winziger Mikroorganismen umgeben, darunter Bakterien, Pilze und andere Mikroben. Diese Mikroben spielen unterschiedliche Rollen. Einige sind hilfreich für die Pflanze und arbeiten mit den Wurzeln zusammen, um die Nährstoffaufnahme zu verbessern, sie vor schädlichen Krankheiten zu schützen und der Pflanze sogar zu helfen, mit Stress, wie Trockenheit oder Bodenverschmutzung, umzugehen. Einige können schädlich sein und Krankheiten verursachen, die die Gesundheit der Pflanze beeinträchtigen und ihr das Wachstum erschweren. Zusammen bilden diese Organismen das so genannte Wurzelmikrobiom der Pflanze.

In meinem Projekt wird die Modellpflanze Arabidopsis eingesetzt, um die Interaktion zwischen dem Pipecolat-Stoffwechselprozess in der Pflanze und dem Wurzelmikrobiom zu erforschen. Das könnte neue Wege zur Verbesserung der Abwehrsysteme der Pflanze, zur Optimierung des Wachstums und zur Förderung nachhaltiger Anbaumethoden eröffnen.