Das Verständnis der Rolle eines Schlüsselproteins bei der Pflanzenimmunität könnte die Entwicklung von Nutzpflanzen beeinflussen, die gegen mehrere Krankheitserreger resistent sind.
Bis zu 30 % der Ernteerträge weltweit gehen jedes Jahr durch pathogene Infektionen verloren. Zu verstehen, wie Pflanzen widerstandsfähiger gegen Infektionen gemacht werden können, ist für die zukünftige Ernährungssicherheit von entscheidender Bedeutung. Jetzt haben Forscher die entscheidende Rolle eines Linker-Histonproteins namens H1 während der pflanzlichen Immunantwort auf Bakterien- und Pilzinfektionen aufgedeckt.
„Frühere Studien an Arabidopsis-Pflanzen haben gezeigt, dass H1 wichtig für gesundes Wachstum und Entwicklung ist“, sagt Arsheed Sheikh, der mit Heribert Hirt und Mitarbeitern an dem Projekt gearbeitet hat. „Linker-Histone sind dafür bekannt, Infektionen bei Tieren zu regulieren, aber ihre Rolle bei Pflanzeninfektionen und Immunität wurde nie erforscht.“
In Tier- und Pflanzenzellen enthalten grundlegende Einheiten, die Nukleosomen genannt werden, DNA, die um einen Proteinkomplex gewickelt ist, und sind entscheidend für die Regulierung der genetischen Information. Die einzelnen Nukleosomen sind durch Linker-DNA verbunden. Das Linker-Histon H1 hält die Austritts-/Eintrittsstelle der Linker-DNA wie eine Klammer und reguliert so das Abwickeln und die Flexibilität von Nukleosomen.
„In Pflanzen wie Arabidopsis finden wir drei Isoformen von H1“, sagt Sheikh. „Normalerweise unterdrückt H1 die Genexpression – dazu gehören auch die Abwehrgene des Immunsystems.“
Das Team untersuchte mutierte Arabidopsis-Pflanzen, bei denen alle drei H1-Isoformen ausgeschaltet waren. Sie züchteten Wildtyp- und Mutantenpflanzen unter kontrollierten Bedingungen und infizierten sie dann entweder mit dem bakteriellen Erreger Pseudomonas syringae oder dem Pilzerreger Botrytis cinerea. Nach drei Tagen verglichen sie die Schwere der Infektion zwischen den verschiedenen Pflanzengruppen.
„Die mutierten Pflanzen waren im Vergleich zu Wildtyp-Pflanzen sowohl gegen Bakterien- als auch gegen Pilzinfektionen resistent“, sagt Sheikh. „Die Knockout-Mutante hatte eine höhere Expression von Abwehrgenen und das Immunantworthormon Salicylsäure.“
Als das Team die Rolle von H1 weiter untersuchte, stellte es jedoch überrascht fest, dass den mutierten Pflanzen die Abwehrfähigkeit fehlte. Mit anderen Worten, wenn die Pflanzen einige Zeit nach der Erstinfektion einer kleinen Dosis eines Pathogens ausgesetzt wurden, zeigten sie keine verstärkte Immunantwort. Wie bei der Impfung kann das Vorbereiten einer Pflanze mit einer geringen Dosis von Krankheitserregern ihre Immunität stärken. Das Fehlen von Abwehr-Priming in den mutierten Pflanzen legt nahe, dass H1 eine entscheidende Rolle beim Priming spielt.
„Dieses grundlegende Wissen könnte helfen, intelligente Nutzpflanzen zu entwickeln, die gegen mehrere Infektionserreger gleichzeitig resistent sind“, sagt Hirt. „Allerdings dient diese Studie auch als warnende Warnung, dass es wichtig ist, sowohl die direkten als auch die indirekten Auswirkungen einer bestimmten Mutation in gentechnisch veränderten Pflanzen zu untersuchen.“
Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Nukleinsäureforschung.
Mehr Informationen:
Arsheed H. Sheikh et al., Linker Histon H1 moduliert Abwehr-Priming und Immunität in Pflanzen, Nukleinsäureforschung (2023). DOI: 10.1093/nar/gkad106