Auf Qualität achten

Pflanzen tun einiges, um ihre Abwehr unter Kontrolle zu halten

10. Dezember 2009

Köln. Pflanzen können sich keinen Fehlalarm im Immunsystem leisten, weil jede überflüssige Abwehrreaktion auf Kosten des Wachstums geht und unnötigen Stress verursacht. Pflanzen unterwerfen ihre Einsatztruppen deshalb einer strikten Qualitätskontrolle und begutachten deren Eignung auf dem Weg zum Einsatzort. Sie achten dabei auf den korrekten Feinschliff und die richtige Gestalt.

Pflanzen können sich genauso gegen mikrobielle Widersacher zur Wehr setzen wie andere Lebewesen auch. Sie verwenden dafür keine spezialisierten Abwehrzellen, sondern einem doppelten Radar in jeder Pflanzenzelle. Der erste Radarschirm sitzt auf der Zelloberfläche, der zweite im Innern. Der äußere Radar besteht aus speziellen Rezeptoren, die wie Häscher nach der Anwesenheit mikrobieller Oberflächenmuster von potentiellen Angreifern suchen. Erkennen sie ein Muster, setzen sie einen Alarm in Gang, der zu komplexen, aber immer ähnlichen Abwehrreaktionen führt. Erhält der Widersacher trotzdem Zugang zur Pflanzenzelle, trifft er auf den zweiten Radar. Dieser besteht aus Sensoren, die alle wichtigen pflanzlichen Eiweiße bewachen. Vergreift sich der Eindringling an einem dieser Eiweiße, weiß die Zelle über den Sensor, dass ihr nur der Selbstmord bleibt, um den Rest der Pflanze zu schützen. Der äußere Radar gilt als kraftvoll und konservativ, der innere als flink und flexibel. Dieses doppelte Radarsystem muss einer strikten Prozesskontrolle unterliegen, weil sich die Pflanze Fehlalarme nicht leisten kann. Paul Schulze-Lefert vom Max Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung und seine Kollegen haben jetzt gezeigt, dass ein Teil der Qualitätskontrolle für den äußeren Radar auf dem Weg an die Zelloberfläche erfolgt. Zudem führt die Aktivierung des äußeren Radars nicht zwangsläufig zu einer nachhaltigen Immunreaktion.


Ein Instrument der Qualitätskontrolle betrifft offensichtlich den Feinschliff der Rezeptoren. Dieser sieht vor, dass die Proteine auf dem Weg an die Zelloberfläche mit Zuckern beladen werden. Gleichzeitig wird überprüft, ob die Eiweiße ihre korrekte Gestalt eingenommen haben. Werden dabei Fehler entdeckt oder ist zu befürchten, dass der Rezeptor in seiner vorliegenden Form einen Fehlalarm auslösen könnte, wird er sofort aussortiert oder für eine Überarbeitung an den Anfang der Prozesskette zurückverwiesen. Paul Schulze-Lefert und seine Kollegen haben jetzt in zwei Veröffentlichungen gezeigt, dass in der Modellpflanze Arabidopsis verschiedene Mutationen in drei hintereinanderliegenden Schritten dieses Prozesses, die Funktion eines speziellen Rezeptors auf der Zelloberfläche beeinträchtigen und dadurch verhindern, dass die Abwehr des von diesem Häscher erkannten Widersachers auf vollen Touren läuft. Bei einigen Mutationen erscheint der Rezeptor erst gar nicht auf der Oberfläche, bei anderen bricht die Abwehrreaktion nach einem ersten Anlauf ab. Der Rezeptor, für den dies gilt, trägt den kryptischen Namen EFR. Ein anderer Häscher, - das FLS2 -, ist dieser Kontrolle nicht unterworfen. Es muss also neben der Begutachtung von Feinschliff und Gestalt noch weitere Ebenen der Qualitätskontrolle beim pflanzlichen Immunsystem geben. Die erste Veröffentlichung von Schulze-Lefert und seinen Kollegen ist im EMBO Journal publiziert worden (Bd. 28; S. 3488), die zweite in den „Proceedings“ der amerikanischen nationalen Akademie der Wissenschaften (Bd. 106, S. 22522).


Die Entdeckung der Kölner Wissenschaftler ist in mehrerer Hinsicht bemerkenswert. Zum einen war nicht zu erwarten, dass die beiden untersuchten Rezeptoren auf unterschiedliche Weise begutachtet werden, weil sie vergleichbare Abwehrreaktionen in Gang setzen. Vermutlich hat der Unterschied mit dem evolutionären Alter der beiden Eiweiße zu tun. FSL2 kommt in allen höheren Pflanzen vor und ist daher vergleichsweise alt. EFR ist nur bei den Kreuzblütengewächsen einschliesslich Arabidopsis zu finden und muss deshalb sehr viel später in der Evolution entstanden sein. Schulze-Lefert dazu: „Wir betrachten EFR als eine junge Innovation in der als konservativ geltenden mikrobiellen Breitbandabwehr auf der Zelloberfläche. Das zeigt, dass sich auch dieses System dynamisch entwickelt und mit neuen Rezeptoren auf das sich ständig ändernde Spektrum von Angreifern reagiert. Bisher hat man nur den inneren Radar für besonders anpassungsfähig gehalten. Die Qualitätskontrolle über den Feinschliff hilft der Pflanze offensichtlich, nur optimal ausgestattete Rezeptoren nach draußen zu lassen, auch bei den neu entwickelten.“ Bemerkenswert ist an den Ergebnissen auch, dass nicht alle Mutationen die gleiche Wirkung haben. Die Tatsache, dass das Spektrum vom Nichterscheinen des Rezeptors auf der Oberfläche bis zum Abbruch einer bereits angelaufenen Abwehrreaktion reicht, zeigt, dass die Eingangsreaktionen und die nachhaltige Immunantwort in irgendeiner Form getrennt sein müssen und dass weitere Signale hinzukommen müssen, um aus einer einmal angelaufenen Reaktion eine robuste Immunantwort zu machen. Paul Schulze-Lefert dazu: „Es muss offensichtlich noch mehrere physiologische Reaktionen geben, die die Abwehrsignale verstärken. Danach zu suchen, wird unsere nächste Aufgabe sein.“

Abb.1: Die Anwesenheit mikrobieller Oberflächenmuster aktiviert in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana stereotype Immunantworten.

Die Kultivierung von Arabidopsis Pflanzen in Anwesenheit von Sucrose (+Suc) führt in Wildtyp (WT) -Pflanzen zur Akkumulation von Flavonoiden (rötlich-violette Farbe der Keimblätter). Eine zusätzliche Applikation mit bakteriellen Oberflächenmustern (flg22 oder elf18) stimuliert eine Immunantwort in der Pflanze und unterdrückt die Akkumulation von Flavonoiden. Mutationen in der Qualitätskontrolle des EFR Immunsensors (psl Pflanzen) können nicht mehr eine wirksame Immunantwort auslösen und akkumulieren daher Flavonoide in Anwesenheit beider Stimuli (+Suc +elf18).

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