In Pappeln verstärken sich zwei Pflanzenhormone gegenseitig zur Abwehr von krankheitserregenden Pilzen

Anders als bisher angenommen, unterdrücken sich die Abwehrhormone Salicylsäure und Jasmonsäure nicht immer gegenseitig bei der Regulierung der pflanzenchemischen Abwehr gegen Schädlinge und Krankheitserreger. Bei Bäumen kann das Zusammenspiel beider Hormone tatsächlich die Pflanzenresistenz erhöhen. Zu diesem Ergebnis kommen Forscher des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in einer neuen Studie über Pappeln, die in veröffentlicht wurde Neuer Phytologe.

Die Wissenschaftler zeigten, dass auch bei Pappeln, die auf erhöhte Salicylsäurewerte modifiziert oder mit Salicylsäure behandelt worden waren, höhere Jasmonsäurewerte nachweisbar waren. Pflanzen mit höheren Konzentrationen beider Hormone waren auch resistenter gegen den Rostpilz Melamspora larici-populina, ohne negative Auswirkungen auf das Wachstum. Das Wissen um das positive Zusammenspiel dieser an der Pflanzenresistenz beteiligten Hormone könnte helfen, Pappeln und andere Bäume besser vor Krankheitserregern zu schützen

Die Funktion von Pflanzenhormonen oder Phytohormonen besteht darin, das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen zu koordinieren. Darüber hinaus kontrollieren sie auch die pflanzliche Immunantwort auf mikrobielle Pathogene wie pathogene Pilze. Bislang besteht in der Wissenschaft ein breiter Konsens darüber, dass die Signalwege der Abwehrhormone Salicylsäure und Jasmonsäure gegensätzlich wirken. Wenn also Pflanzen mehr Salicylsäure produzieren, würde dies die Produktion von Jasmonsäure hemmen und umgekehrt. Wissenschaftler haben dieses negative Zusammenspiel in Studien an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) und vielen anderen einjährigen Kräutern immer wieder gezeigt.

„Entgegen der Annahme, dass die Signalwege der Hormone Salicylsäure und Jasmonsäure gegensätzlich wirken, hatten wir bereits in unseren früheren Studien an Pappeln beobachtet, dass diese beiden Hormone als Reaktion auf eine Infektion durch pathogene Pilze ansteigen Forschungsfrage war es, das Zusammenspiel dieser beiden Abwehrhormone in der Pappel zu bestimmen“, erläutert Chhana Ullah, Erstautorin der Publikation, den Ausgangspunkt der aktuellen Studie.

Um experimentell zu untersuchen, wie sich der Gehalt an Salicylsäure auf die Bildung von Jasmonsäure auswirkt, veränderten die Wissenschaftler Versuchspflanzen der in Deutschland heimischen Schwarzpappel (Populus nigra) gentechnisch so, dass sie höhere Mengen an Salicylsäure produzierten als Kontrollpflanzen. In einem anderen Experiment brachten sie Salicylsäure auf Pappelblätter gentechnisch unveränderter Pflanzen auf. „Wir haben den Gehalt an Salicylsäure in der Pappel durch Gentechnik und direkte chemische Anwendung manipuliert und anschließend umfangreiche chemische Analysen der Pflanzen mit und ohne Pilzbefall durchgeführt. Dadurch konnten wir die Wirkung von Salicylsäure von anderen Faktoren trennen und direkt zeigen.“ stimuliert die Jasmonsäureproduktion“, erklärt Chhana Ullah.

Pflanzen mit einem hohen Gehalt an Salicylsäure hatten auch höhere Konzentrationen an Jasmonsäure. Außerdem produzierten diese Pflanzen mehr antimikrobielle Substanzen, sogenannte Flavonoide, auch wenn keine Infektion mit einem Krankheitserreger vorlag. Weitere Vergleichsstudien mit Pflanzen, die hohe Gehalte an Salicylsäure produzierten, und Kontrollpflanzen, die jeweils mit dem Rostpilz Melamspora larici-populina infiziert waren, zeigten, dass hohe Gehalte an Salicylsäure Pappeln widerstandsfähiger gegen Pilzbefall machten.

Überraschenderweise wirkte sich eine höhere Pilzresistenz aufgrund erhöhter Abwehrkräfte nicht negativ auf das Pflanzenwachstum aus, wie dies bei Arabidopsis und anderen einjährigen Kräutern beobachtet wurde. Bei Arabidopsis übernimmt entweder Salicylsäure oder Jasmonsäure die Kontrolle über die Immunantwort, während das andere Hormon unterdrückt wird. Salicylsäure wird in höheren Mengen nach Angriff durch biotrophe Pathogene produziert, die Pflanzengewebe nicht abtöten und sich von lebendem Pflanzenmaterial ernähren, während Jasmonsäure nach Angriff von Insekten oder nekrotrophen Pathogenen, die sich von totem Pflanzengewebe ernähren, erhöht wird.

„Das negative Zusammenspiel zwischen den Abwehrhormonen Salicylsäure und Jasmonsäure in Pflanzen wie Arabidopsis ermöglicht es der Pflanze, den Schutz gegen eine Art von Feinden zu priorisieren. Kleine Kräuter wie Arabidopsis können von einem so engen Fokus profitieren, weil ihnen die Ressourcen fehlen, um sich gegen verschiedene Arten zu verteidigen von Feinden auf einmal. Das könnte auch der Grund dafür sein, warum Arabidopsis-Pflanzen im Verteidigungsmodus ihre Wachstumsrate reduzieren“, sagt Jonathan Gershenzon, Leiter der Abteilung für Biochemie, an der die Studie durchgeführt wurde.

Im Gegensatz zu einjährigen Kräutern wie der Ackerschmalwand sind die Ressourcen für Bäume und andere Gehölze meist weniger begrenzt. Darüber hinaus werden Bäume aufgrund ihrer langen Lebensdauer oft gleichzeitig von verschiedenen Feinden wie Pilz- und Bakterienpathogenen, blattfressenden Raupen und holzzerstörenden Insekten befallen. Sie könnten sich entwickelt haben, um die Salicylsäure- und Jasmonsäure-Signalwege gemeinsam zur Verteidigung zu nutzen. Die höhere Ressourcenverfügbarkeit langlebiger Gehölze dürfte auch der Grund dafür sein, dass hohe Konzentrationen an Salicylsäure das Pflanzenwachstum bei Pappeln nicht beeinträchtigen.

Überraschend stellten die Forscher fest, dass hohe Konzentrationen an Salicylsäure in Pappeln sogenannte Pathogenese-Related (PR)-Gene nicht aktivierten, obwohl diese etablierte Marker für den Salicylsäure-Signalweg in Arabidopsis sind. „Wir fanden jedoch heraus, dass das Ausmaß der PR-Gen-Induktion positiv mit der Rostanfälligkeit der Pappel korrelierte. Offenbar wird die Aktivierung der PR-Gene bei der Pappel nicht durch Salicylsäure-Signale reguliert, sondern durch einen anderen Mechanismus“, erklärt Chhana Ullah .

Wie genau der molekulare Mechanismus der positiven Wechselwirkung zwischen Salicylsäure und Jasmonsäure bei der Pappel funktioniert, muss das Wissenschaftlerteam um Chhana Ullah noch herausfinden. Außerdem wollen sie wissen, welche Rolle PR-Gene in Pappeln und anderen Gehölzen spielen. Sicher ist jedoch, dass ein grundlegendes Wissen über die positive Wechselwirkung zwischen Salicylsäure und Jasmonsäure in Pappeln und anderen verwandten Bäumen einen wichtigen Beitrag dazu leisten könnte, diese Pflanzen besser vor Schädlingsbefall und Krankheiten zu schützen.

Oder, wie Jonathan Gershenzon anmerkt: „Pappeln sind bekannt als die Bäume des Volkes wegen ihrer vielseitigen Verwendung durch den Menschen, daher der Gattungsname Populus: der lateinische Name für Menschen. Die unglaublich schnell wachsenden Pappeln werden als Gehölze mit kurzem Umtrieb angebaut und sind äußerst wichtig für die Zellstoff- und Papierindustrie. Sie sind auch für Biokraftstoffe wünschenswert.“ Ihr Schutz zu verbessern dient daher uns allen.