Wie wehren sich Pflanzen gegen krankheitserregende Mikroorganismen? Dies ist ein komplexes Puzzle, von dem ein Team von Biologen der Universität Amsterdam ein neues Stück gelöst hat. Das Team unter der Leitung von Harrold van den Burg entdeckte, dass die Wasserporen (Hydathoden) in Blättern zwar einen Eintrittspunkt für Bakterien darstellen, aber auch ein aktiver Teil der Abwehr gegen diese Eindringlinge sind. Die Forschungsergebnisse des Teams wurden nun in der Fachzeitschrift veröffentlicht Aktuelle Biologie.
Wer es gewohnt ist, Pflanzen viel Wasser zu geben, kennt das Phänomen vielleicht: kleine Tröpfchen aus Pflanzensaft, die sich manchmal am Rand der Blätter bilden, besonders nachts. Wenn Pflanzen über ihre Wurzeln mehr Wasser aufnehmen, als sie durch Verdunstung verlieren, können sie ihre Wasserporen an den Blatträndern nutzen, um überschüssiges Wasser abzugeben. Die Poren verhindern buchstäblich, dass der Wurzelwasserdruck zu hoch wird. Dies ist ein wichtiger Mechanismus, aber gleichzeitig riskant. Durch diese Safttröpfchen können krankheitserregende Mikroorganismen in die Pflanzenadern gelangen und die Wasserporen besiedeln.
Biologen fragen sich daher schon lange: Wie wehren sich Pflanzen gegen diese weit offene Eintrittspforte? Sind diese Wasserporen, die Hydathoden, wehrlose Drüsen, die schädlichen Schädlingen reichlich Zutritt gewähren? Oder haben sie sich so entwickelt, dass sie Teil der pflanzlichen Abwehr gegen Krankheitserreger sind?
Verteidigungslinie
Ein Forscherteam des Swammerdam Institute for Life Sciences an der Universität Amsterdam hat Beweise dafür gefunden, dass letzteres der Fall ist. Im Tagebuch Aktuelle Biologiebeschreiben sie ihre Experimente mit der Modellpflanze Arabidopsis und zwei Arten schädlicher Bakterien. Arabidopsis oder Ackerschmalwand ist mit allen Arten von Kohl und anderen essbaren Pflanzen der Familie Brassicaceae verwandt. Die Biologen entdeckten, dass die Wasserporen sowohl Teil der ersten als auch der zweiten Verteidigungslinie der Pflanze gegen Bakterien sind. Mit anderen Worten, sie sind sowohl an der schnellen Erstreaktion als auch an den Folgemaßnahmen gegen die Eindringlinge beteiligt.
Harrold van den Burg, der das Forscherteam leitete, erklärt: „Wir haben für diese Studie Arabidopsis-Mutanten mit Defiziten in ihrem Immunsystem verwendet, die sie anfälliger für eine Infektion mit den Bakterien Xanthomonas campestris und Pseudomonas syringae machen. Wir haben diese Bakterien ausgewählt, weil sie verursachen notorische Probleme in der Landwirtschaft, hier wurden sie eingesetzt, um das pflanzliche Immunsystem zu enträtseln.
„Wir konnten feststellen, dass zwei Proteinkomplexe (für Interessierte: BAK1 und EDS1-PAD4-ADR1) verhindern, dass sich die Bakterien in den Wasserporen vermehren. Dieselben Immunantworten verhindern auch, dass diese Bakterien weiter ins Pflanzeninnere vordringen.“ Außerdem entdeckten wir, dass die Wasserporen beim Auftreten dieser ersten Verteidigungslinie ein Signal erzeugen, das die Pflanze dazu veranlasst, Hormone zu produzieren, die die weitere Ausbreitung der eindringenden Bakterien entlang des Gefäßsystems unterdrücken.“
Nutzpflanzen widerstandsfähiger machen
Damit liefert das Team einen wichtigen grundlegenden Einblick, wie sich diese natürlichen Eintrittspforten für Bakterien entwickelt haben und durch das Immunsystem der Pflanze geschützt werden. Langfristig kann dies dazu beitragen, landwirtschaftliche Nutzpflanzen widerstandsfähiger gegen bakterielle Krankheiten zu machen.
Van den Burg bemerkt: „Wir werden diese Forschungsrichtung vorerst fortsetzen. Wir wissen jetzt beispielsweise, welche Proteinkomplexe daran beteiligt sind, dass sich Bakterien nicht in den Wasserporen vermehren, aber nicht, wie dies geschieht. Regulieren sie beispielsweise die Produktion antimikrobieller Substanzen in Hydathoden, die das Bakterienwachstum hemmen? Das wäre interessant zu wissen. Je besser wir das verstehen, desto näher kommen wir einer praktischen Anwendung für einen besseren Schutz landwirtschaftlicher Nutzpflanzen.“
Mehr Informationen:
Misha Paauw et al, Hydathode-Immunität schützt die Blutgefäße von Arabidopsis-Blättern vor der Besiedelung durch bakterielle Pathogene, Aktuelle Biologie (2023). DOI: 10.1016/j.cub.2023.01.013