Pflanzen programmieren ihre Zellen neu, um Eindringlinge zu bekämpfen. Hier ist wie

In Kriegszeiten rüsten Fabriken um, um den Bedürfnissen des Kampfes gerecht zu werden. Fließbänder ändern ihren Kurs von der Herstellung von Autoteilen zu Maschinengewehren oder vom Bau von Waschmaschinen zu Flugzeugmotoren.

Laut Xinnian Dong, Professor an der Duke University, können Pflanzen auch von der Friedens- zur Kriegsproduktion wechseln.

Feldfrüchte und andere Pflanzen werden häufig von Bakterien, Viren und anderen Krankheitserregern angegriffen. Wenn eine Pflanze eine mikrobielle Invasion wahrnimmt, nimmt sie radikale Veränderungen in der chemischen Suppe von Proteinen – den Arbeitstiermolekülen des Lebens – in ihren Zellen vor.

In den letzten Jahren haben Dong und ihr Team sich genau überlegt, wie sie es machen. In einer neuen Studie, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurde ZelleDong und Erstautorin Jinlong Wang enthüllen die Schlüsselkomponenten in Pflanzenzellen, die ihre Proteinherstellungsmaschinerie umprogrammieren, um Krankheiten zu bekämpfen.

Jedes Jahr ca 15 % des Ernteertrags gehen verloren zu Bakterien- und Pilzkrankheiten, was die Weltwirtschaft rund 220 Milliarden Dollar kostet. Pflanzen verlassen sich auf ihr Immunsystem, um ihnen zu helfen, sich zu wehren, sagte Dong.

Im Gegensatz zu Tieren haben Pflanzen keine spezialisierten Immunzellen, die durch den Blutkreislauf zum Ort der Infektion gelangen können; Jede Zelle in der Anlage muss in der Lage sein, sich zu verteidigen und zu kämpfen, und schnell in den Kampfmodus wechseln.

Wenn Pflanzen angegriffen werden, verschieben sie ihre Prioritäten vom Wachstum auf die Abwehr, sodass die Zellen mit der Synthese neuer Proteine ​​beginnen und die Produktion anderer unterdrücken. Dann „kehren die Dinge innerhalb von zwei bis drei Stunden zur Normalität zurück“, sagte Dong.

Die Zehntausende von Proteinen, die in Zellen hergestellt werden, erledigen viele Aufgaben: Sie katalysieren Reaktionen, dienen als chemische Botenstoffe, erkennen Fremdstoffe, bewegen Materialien hinein und hinaus. Um ein bestimmtes Protein aufzubauen, werden genetische Anweisungen in der im Zellkern verpackten DNA in ein Botenmolekül namens mRNA transkribiert. Dieser mRNA-Strang gelangt dann ins Zytoplasma, wo eine als Ribosom bezeichnete Struktur die Nachricht „liest“ und sie in ein Protein übersetzt.

In einer Studie aus dem Jahr 2017 fanden Dong und ihr Team heraus, dass bei einer Infektion einer Pflanze bestimmte mRNA-Moleküle schneller in Proteine ​​übersetzt werden als andere. Was diese mRNA-Moleküle gemeinsam haben, fanden die Forscher heraus, ist eine Region am vorderen Ende des RNA-Strangs mit wiederkehrenden Buchstaben in seinem genetischen Code, in der sich die Nukleotidbasen Adenin und Guanin immer wieder wiederholen.

In der neuen Studie zeigen Dong, Wang und Kollegen, wie diese Region mit anderen Strukturen innerhalb der Zelle zusammenarbeitet, um die Proteinproduktion in „Kriegszeiten“ zu aktivieren.

Sie zeigten, dass, wenn Pflanzen einen Pathogenangriff erkennen, die molekularen Wegweiser, die den üblichen Startpunkt für Ribosomen signalisieren, auf denen sie landen und die mRNA ablesen, entfernt werden, was die Zelle daran hindert, ihre typischen „Friedens“-Proteine ​​herzustellen.

Stattdessen umgehen Ribosomen den üblichen Ausgangspunkt für die Translation, indem sie die Region wiederkehrender As und Gs innerhalb des RNA-Moleküls zum Andocken nutzen und stattdessen von dort aus mit dem Lesen beginnen.

„Sie nehmen im Grunde genommen eine Abkürzung“, sagte Dong.

Für Pflanzen sei die Bekämpfung von Infektionen ein Balanceakt, sagte Dong. Je mehr Ressourcen für die Verteidigung bereitgestellt werden, desto weniger steht für die Photosynthese und andere Aktivitäten im täglichen Leben zur Verfügung. Werden zu viele Abwehrproteine ​​produziert, können Kollateralschäden entstehen: Pflanzen mit einem überaktiven Immunsystem leiden unter Wachstumsstörungen.

Durch das Verständnis, wie Pflanzen dieses Gleichgewicht finden, hoffen Wissenschaftler, neue Wege zu finden, um krankheitsresistente Pflanzen zu entwickeln, ohne den Ertrag zu beeinträchtigen, sagte Dong.

Dongs Team führte den Großteil ihrer Experimente an einer senfähnlichen Pflanze namens Arabidopsis thaliana durch. Aber ähnliche mRNA-Sequenzen wurden in anderen Organismen gefunden, einschließlich Fruchtfliegen, Mäusen und Menschen, so dass sie eine breitere Rolle bei der Kontrolle der Proteinsynthese in Pflanzen und Tieren gleichermaßen spielen könnten, sagte Dong.