Die Macht der Eiweißadressen

Wie sich Pflanzenparasiten ihren Wirt gefügig machen

8. Mai 2009

Köln. Einige Pflanzenparasiten verwenden molekulare Postleitzahlen, um die Eiweiße, mit denen sie den Wirt ausbeuten, an ihren Einsatzort zu dirigieren. Im Gegensatz zu Bakterien spritzen sie die Proteine nicht in die Zelle, sondern lotsen sie von spezialisierten Infektionsstrukturen aus direkt ans Ziel. Nicht

Nicht alle Parasiten richten ihre Wirtspflanze zugrunde. Viele können sich nur aneiner lebenden Zelle bedienen und möchten ihren Wirt auch nicht vorschnell wieder los werden. Sie produzieren deshalb sogenannte Effektorproteine, mit denen sie die Wirtspflanze gefügig machen ohne sie in den Untergang zu treiben. Für diese Aufgabe müssen die Effektorproteine an die Schaltstellen der Wirtszelle gebracht werden. Das geschieht über molekulare Postleitzahlen, die von Pflanzenparasit zu Pflanzenparasit variieren und die eine gewisse Ähnlichkeit zu denen der Wirtspflanze besitzen. Auf diesen Umstand haben Ralph Panstruga vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln und sein Kollege Peter N. Dodds von der Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation in Canberra in einem Übersichtsartikel in der Zeitschrift Science hingewiesen (Bd. 324, S. 748-750). Die molekularen Postleitzahlen entwickeln sich offenbar im engen Hin und Her zwischen dem pflanzlichen Immunsystem und den Übernahmestrukturen des Pflanzenparasiten. Sie sind demnach das Ergebnis einer evolutionären Koentwicklung.

Wie Panstruga und Dodds in ihrer Übersichtsarbeit weiter schreiben, wurden zwei Gruppen von Erregern näher untersucht: Pilze, zu denen der echte Mehltau oder der Erreger des Pflanzenrosts gehören und sogenannte Oomyceten oder Zellulosepilze, zu denen der falsche Mehltau und die Kraut- und Knollenfäule gezählt werden. Bei beiden Gruppen beginnt die Infektion damit, dass eine Spore auf der Pflanze auskeimt und einen, aus nur einer einzigen Zelle bestehenden Pilzfaden in das Innere der Wirtszelle treibt. Dieser einzellige Pilzfaden wird auch Haustorium genannt. In dieser hochspezialisierten Zelle produziert der Pflanzenparasit alle zum Kapern der Wirtszelle nötigen Effektorproteine und versieht sie mit der entsprechenden Eiweißadresse. Mit dieser molekularen Postleitzahl im Schlepptau überwinden die Effektorproteine die drei Barrieren, die das Innere des Haustoriums vom Inneren der Wirtszelle trennen, und gelangen dorthin, von wo aus sie den Wirt gefügig machen können. Die Postleitzahl funktioniert offensichtlich auch dann, wenn sie mit einem gentechnischen Trick an ein beliebiges Protein gekoppelt wird und kein Haustorium mehr in der Wirtszelle vorhanden ist. Panstruga dazu: „Diese Tatsache zeigt uns, dass die weitere Ausstattung des Erregers nicht für die adressenabhängige Verteilung der Effektorproteine notwendig ist. Das macht allein die Wirtszelle.“ Bemerkenswert ist auch, dass der Erreger der Malaria, der zu den Sporentierchen gehört, die gleiche molekulare Postleitzahl verwendet wie der Erreger des falschen Mehltaus und der Kartoffelfäule, während Rostpilze und echter Mehltau andere Adressen verwenden. Panstruga dazu: “Dieses Merkmal muss also während der Evolution sowohl von Sporentierchen als auch von Zellulosepilzen entwickelt worden sein.“

Die mikroskopische Aufnahme zeigt verzweigte Pilzfäden (blau) des Mehltaupilzes auf der Oberfäche eines Gersteblattes. Am oberen Rand der mittels einer speziellen Technik grünlich eingefärbten Zelle in der Bildmitte ist eine Bonbon-förmige Struktur, das pilzliche Haustorium, zu erkennen. Das Haustorium dient u.a. dem Ausschleusen von Effektorproteinen in die pflanzliche Wirtszelle.

Die Pflanzenwissenschaftler äußern sich in ihrer Übersichtsarbeit auch dazu, wie die Effektorproteine wirken könnten. Über die genauen Mechanismen ist noch wenig bekannt. Einige könnten die pflanzliche Abwehr sabotieren oder blind für den Parasiten machen, so dass er der Überwachung entgeht. Es ist auch denkbar, dass einige Effektorproteine dafür sorgen, dass die Pflanzenzelle nicht in den programmierten Zelltod getrieben wird. Normalerweise geht sie diesen Weg, um bei einem Schadensfall den Rest der Pflanze zu schützen. Unklar ist auch, ob der Pflanzenstoffwechsel direkt zur Versorgung des Parasiten herangezogen wird oder ob der Parasit indirekt von der Schwächung der Pflanze profitiert. Auch über die genaue Zahl der verschiedenen Effektorproteine ist wenig bekannt. Offensichtlich gibt es einen großen Überschuss. Das ist zumindest das Bild, das man bekommt, wenn man mit Erbgutschnipsel nach Proteinen mit typischen Eiweißadressen sucht. Die Zahl gehe in die Hunderte, so Panstruga und Dodds. Viele seien vermutlich durch Verdoppelung oder Weiterentwicklung aus einer gemeinsamen Vorstufe entstanden. Sicher sei auch, dass nicht alle gleichzeitig zum Einsatz kommen, sondern in verschiedenen Kompartimenten und zu verschiedenen Zeiten aktiv seien. Diese komplizierte Choreographie zu verstehen, werde der nächste Schritt sein, so die Wissenschaftler in ihrem Artikel. Dieses Wissen werde dann sowohl Auswirkungen auf die Grundlagenforschung als auch auf die Pflanzenzüchtung haben.

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