Immunsystem von Pflanzen: Es funktioniert anders als gedacht
Was passiert in Pflanzen auf molekularer Ebene, wenn sie sich gegen Schädlinge zur Wehr setzen? Bisher ging man davon aus, dass dabei in allen Pflanzen in etwa die gleichen Prozesse ablaufen. Das stimmt nicht, wie ein Team von Biologen der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) in einer neuen Studie in der Fachzeitschrift "The Plant Cell" zeigt. Die Forscher untersuchten dafür die Abwehrprozesse in der wilden Tabakart N. benthamiana und stellten fest, dass die Prozesse ganz anders funktionieren als bislang angenommen. In der Studie beschreibt das Team auch, wie es mit Hilfe der Gen-Schere CRISPR/Cas9 diesem komplexen Zusammenspiel auf die Schliche gekommen ist.
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Um sich gegen Schädlinge zu wehren, können Pflanzen ausschließlich auf ihr angeborenes Immunsystem zurückgreifen. "Im Grunde genommen ist das Immunsystem von Pflanzen relativ simpel. Auf der Oberfläche der Pflanzenzellen gibt es spezielle Rezeptor-Proteine, die Schädlinge erkennen und abwehren können. Dadurch wird eine gewisse Grundimmunität erreicht", sagt Dr. Johannes Stuttmann vom Institut für Biologie der MLU. Einige Bakterien haben allerdings einen Weg gefunden, diese Verteidigung zu überwinden: Sie injizieren sogenannte Effektor-Proteine direkt in die Pflanzenzelle, um so die Abwehrreaktion zu unterdrücken. Im Laufe der Evolution haben Pflanzen sich auf diesen Trick eingestellt und ihrerseits weitere Rezeptor-Proteine gebildet, die im Zellinneren die Eindringlinge erkennen und eine schnelle, starke Immunreaktion auslösen können. "Da Pflanzen keine eigenen Immunzellen oder Antikörper haben, kommt den Rezeptor-Proteinen eine Schlüsselposition in der pflanzlichen Immunantwort zu", so Stuttmann.
Bisher wurden die Grundlagen des pflanzlichen Immunsystems vor allem in der Ackerschmalwand - Arabidopsis thaliana - erforscht, einem relativ einfachen Modellorganismus. Die Gruppe von Stuttmann wollte nun überprüfen, ob sich diese Erkenntnisse auch auf die Tabakpflanze N. benthamiana übertragen lassen. Ihr Genom sei deutlich komplexer und auch noch nicht vollständig entschlüsselt, so Stuttmann. Die Pflanze habe aber verschiedene Vorteile, die sie für die weiterführende Forschung interessant machen.
Das Team untersuchte eine spezielle Klasse von Rezeptoren im Zellinneren, die sogenannten TNL-Rezeptoren. Bekannt ist, dass Immunrezeptoren dieser Klasse nur in Kombination mit einem bestimmten Proteinkomplex richtig funktionieren. Um zu überprüfen, ob in den beiden Pflanzenarten dieselben Gene für das Immunsystem verantwortlich sind, schalteten die Forscher mit Hilfe der Gen-Schere CRISPR/Cas9 zunächst mehrere Kandidatengene in den Tabakpflanzen aus und tauschten außerdem Gene zwischen den beiden Spezies aus. Danach überprüften sie, ob die Pflanzen noch auf Schädlinge reagieren. "Dabei zeigte sich eine unerwartete Komplexität: Während ein TNL-Rezeptor aus dem Tabak auch in der Ackerschmalwand funktionierte, traf das nicht auf die Gene des Proteinkomplexes zu. Tatsächlich wird in Tabakpflanzen ein anderer Proteinkomplex für die Immunantwort, induziert durch TNL-Rezeptoren, benötigt als in der Ackerschmalwand. Die Signalwege für Immunreaktionen in verschiedenen Pflanzen sind also offenbar unterschiedlich", sagt Stuttmann. Das sei überraschend, weil man bislang davon ausging, dass diese Prozesse in Pflanzen weitestgehend identisch sind, da sich auch die beteiligten Proteine im Laufe der Evolution der Pflanzen relativ wenig verändert haben.
"Die weitläufige Meinung, dass man Erkenntnisse aus Arabidopsis thaliana so einfach auf andere Spezies übertragen kann, erweist sich häufig als falsch", fasst Stuttmann abschließend zusammen. Gleichzeitig diene die neue Studie dazu, N. benthamiana als Modellorganismus für diese und weitere Fragestellungen zu etablieren.
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