Wissenschaftler der University of Sheffield haben einen Mechanismus entdeckt, der dafür verantwortlich ist, wie Pflanzen eine langfristige Immunität gegen Stress entwickeln können.
Biotischer Stress, dem Pflanzen ausgesetzt sind, kann die Form von Angriffen durch Insektenfresser oder Krankheitserreger annehmen. Bei Pflanzen, die für die Lebensmittelproduktion angebaut werden, stellt dieser Stress ein erhebliches Risiko für die Ernteerträge dar und wird derzeit durch den weit verbreiteten Einsatz von Pestiziden bewältigt, die schädlich für die Umwelt sind und ein Risiko für die menschliche Gesundheit darstellen können.
Aufgrund der dringenden Notwendigkeit, bessere und nachhaltigere Pflanzenschutzmethoden zu finden, untersuchten Professor Jurriaan Ton vom Institut für nachhaltige Ernährung der Universität Sheffield und sein Team, wie Pflanzen eine lang anhaltende Immunität gegen diese Stressoren erlangen können.
Die Ergebnisse, veröffentlicht in Natur Pflanzenerklären einen Mechanismus, wie sich Pflanzen an den Stress eines früheren Angriffs „erinnern“, und dass dieses Langzeitgedächtnis in einer Familie von „Junk-DNA“ kodiert ist, die Abwehrgene für mehrere Wochen gegen weitere Angriffe vorbereiten kann.
Dr. Ton, Professor für Umweltsignalisierung von Pflanzen an der School of Biosciences der Universität Sheffield und leitender Autor der Studie, sagte, die Ergebnisse bieten neue Möglichkeiten, die Pflanzenimmunität für einen nachhaltigen Pflanzenschutz zu kontrollieren und unsere Abhängigkeit von schädlichen Pestiziden für die Lebensmittelproduktion zu verringern.
Er sagte: „Wir verlassen uns auf Pflanzen, um den Planeten zu ernähren, aber sie stehen im Wesentlichen am Ende der Nahrungskette, sie können sich nicht bewegen, daher sind sie unglaublich anfällig für Angriffe von allen Seiten, einschließlich Insektenfressern und krankheitsverursachenden Krankheitserregern Tiere haben jedoch die Fähigkeit entwickelt, nach der Erholung von biotischem Stress Immunität zu erlangen, aber sie verwenden dafür unterschiedliche Mechanismen.“
„Die Ergebnisse der Studie sind nicht nur ein großer Fortschritt in unserem Verständnis dafür, wie sich Pflanzen an den Stress früherer Angriffe ‚erinnern‘, sondern decken auch eine neue epigenetische Funktion einer bestimmten Familie von ‚Junk-DNA‘ (Transposons; DNA, die dies tut nicht für Pflanzenproteine kodieren).
Die Studie untersuchte die Langzeitwirkung des pflanzlichen Stresshormons Jasmonsäure auf Arabidopsis thaliana, allgemein bekannt als Ackerschmalwand, eine Verwandte von Kohl und Senf. Raupen ausgesetzt, erlitt die Gruppe der mit Jasmonsäure behandelten Sämlinge geringere Schäden als die Kontrollgruppe.
Obwohl die kurzfristigen Wirkungen von Jasmonsäure auf die Pflanzenabwehr gut dokumentiert sind, sind es die langfristigen Wirkungen nicht, und das Team entdeckte, dass die Immunerinnerung an den Stress einer Behandlung mit Jasmonsäure mehrere Wochen anhalten und übertragen werden kann neu entwickelte Blätter für langanhaltenden Widerstand gegen die Raupen.
Die Ergebnisse zeigten, dass diese erworbene Immunität durch epigenetische Mechanismen kontrolliert wird, an denen kleine RNA-Moleküle beteiligt sind, die von der AtREP2-Familie von Transposons erzeugt werden, die sich mit dem kleinen RNA-bindenden Protein AGO1 verbinden. Die RNA-beladenen AGO1-Proteine aktivieren dann entfernte Abwehrgene für eine schnellere und stärkere Reaktion auf nachfolgenden Stress.
Die Studie liefert ein erstes Modell für ein lang anhaltendes Immungedächtnis in Pflanzen und zeigt, wie epigenetische Modifikationen an einer bestimmten Familie von Junk-DNA Pflanzen gegen weitere Schäden durch Schädlinge wappnen können.
Dr. Samuel Wilkinson, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der School of Biosciences und Erstautor des Papiers, sagte: „Da die globale Ernährungssicherheit eine der größten Herausforderungen ist, denen wir uns in Zukunft stellen werden, ist es unerlässlich, dass wir neue Wege finden, um dies zu gewährleisten Gesundheit und Wachstum der Pflanzen, auf die wir uns verlassen.“
„Diese Forschung ist der erste Schritt, um die Wirksamkeit und Dauerhaftigkeit herkömmlicher Pflanzenzüchtungsstrategien zu ergänzen und zu verbessern, indem Pflanzen mit erhöhter Immunbereitschaft als Alternative zum Einsatz schädlicher Pestizide ausgewählt werden.“
Die Forscher arbeiten nun mit einem internationalen Pflanzenzüchtungsunternehmen zusammen, um zu untersuchen, ob sie andere verwandte epigenetische Mechanismen, wie Stressoren für krankheitsverursachende Pathogene, nutzen und zu einer neuartigen Pflanzenschutzstrategie für komplexere Pflanzengenome kombinieren können.
Samuel fügte hinzu: „Die Studie hat uns den Weg geebnet, eine präzisere und anpassbarere Methode zu entwickeln, um vorteilhafte epigenetische Variationen in Pflanzengenome einzuführen. Dies wäre nicht nur für den Pflanzenschutz und die Züchtung von Wert, sondern stellt auch ein wertvolles Forschungsinstrument dar Erforschen Sie die komplexen Mechanismen, durch die epigenetisch veränderte DNA Abwehrgene innerhalb und zwischen Pflanzengenerationen aktivieren kann.“
Mehr Informationen:
SW Wilkinson et al., Langanhaltende Erinnerung an Jasmonsäure-abhängige Immunität erfordert DNA-Demethylierung und ARGONAUTE1, Natur Pflanzen (2023). DOI: 10.1038/s41477-022-01313-9