Immunsystem der Pflanzen (ergänzt)

Professor Steven H. Spoel vom Institut der Molekularen Pflanzenwissenschaften an der Universität Edinburgh gilt als einer der führenden Köpfe bei der Entschlüsselung der Immunabwehr der Pflanzen. Bislang beschränkte sich das Verständnis von der Krankheitsabwehr fast ausschließlich auf die Züchtung resistenter Sorten. In Deutschland wird am Helmholtz-Zentrum München an diesem Thema geforscht. Unter anderem ist es das Ziel, hochaktive antibiotisch wirksame Peptide zu entwickeln. Projektleiter ist Dr. Christian Lindermayer.

Es besteht eine Verbindung zwischen der Nitratassimilation und der Bildung von Stickstoffmonoxid (NO), das ein wichtiges Redox-Signal darstellt und bei Tieren eine Vielzahl physiologischer Funktionen ausübt. Auch bei der Immunabwehr im menschlichen Körper ist das Stickstoffmonoxid von entscheidender Bedeutung! In den Pflanzen gibt es sieben Quellen für die NO-Bildung, u.a. über die Aminosäure Arginin sowie die zu den Pflanzenhormonen zählenden Polyamine.

NO reguliert die Pflanzenentwicklung und die Antwort auf Stress-Symptome durch das schwefelhaltige Enzym S-Nitrosothiol (SNO). Dieses Enzym, das bei der Immunabwehr eine zentrale Rolle spielt, unterdrückt die Nitrataufnahme und –reduzierung. Die wichtige Rolle bei der Immunabwehr wurde zuerst an Kartoffeln entdeckt. Dort steht das NO in Verbindung mit der Bildung eines kartoffelspezifischen Hemmstoffs, dem Rishitin. Es gibt sieben Wege der NO-Bildung in den Pflanzen. Ein Weg (über die Bildung von Polyaminen) ist an der Wurzelentwicklung, der Embryogenese und dem Trockenstress beteiligt. Ein anderer Weg läuft über die Nitratreduktase, die in den Pflanzen das Nitrat zu Nitrit umwandelt.

Das SNO-Enzym reguliert die Anhäufung von Salizylsäure, die die Immunabwehr fördert, das heißt es besteht eine enge Verbindung zwischen dem Stickstoffmonoxid und der Bildung von Salizylsäure. Ein Teil der Abwehrreaktion läuft über das gezielte Absterben infizierter Zellen; auch hierbei spielt das NO eine wichtige Rolle. Bei den vier Stressfaktoren (Trockenheit, Hitze, Kälte, Versalzung) werden die Abwehrreaktionen ebenfalls durch NO aktiviert. NO ist auch an verschiedenen Entwicklungsprozessen beteiligt, sei es bei der Keimung, der Blütenbildung, der Blühdauer und der Wurzelentwicklung – bis hin zur Wechselbeziehung zwischen den Wurzeln und den Mikroorganismen. NO wirkt nach neuesten Erkenntnissen hemmend auf die Bildung des Pflanzenhormons Cytokinin.

Professor Spoel erwähnt auch mögliche Beziehungen zwischen der Form des Stickstoffdüngers und der Krankheitsanfälligkeit. Eine Forschergruppe aus Oxford hat festgestellt, dass mit Pseudomona syringae infizierte Tabakpflanzen bei der Nitraternährung schneller absterben als bei Ammonium-Ernährung.

Professor Spoel konnte nachweisen, dass dichte Bestände nicht gut für die Pflanzengesundheit sind; hierbei werden die Erzeugung der beiden Immunabwehrquellen, die Bildung der Salizylsäure und der Jasmonsäure gehemmt. In zu dichten Beständen neigen die Pflanzen stärker dem Licht nachzustreben, was zu Lasten der Immunabwehr geht.

Bei Fusarium oxysporum wurde nachgewiesen, dass ein Teil der Pathogenität durch die Nitric Oxid Reductase hervorgerufen wird. Das Enzym senkt den Gehalt an Stickstoffmonoxid in den befallenen Pflanzen; andererseits ist Fusarium in der Lage, für die eigene Entwicklung hohe Mengen an NO zu bilden. Als Fusarium-Gegenspieler erwies sich Trichoderma asperelloides; dieser Pilz hemmt die Bildung von NO in den Fusarium-Pilzen.

Auch Pflanzen haben eine angeborene Immunabwehr, die ihnen hilft auf Pathogene unmittelbar zu reagieren. Dabei handelt es sich um sog. „Pathogen-assoziierte molekulare Muster“; dummerweise sind die Krankheitserreger in der Lage, diese Immunabwehr zu unterdrücken. Die Pflanzen reagieren darauf wiederum mit einer hypersensitiven Antwort (hypersensitive response; HR). Diese Antwort ist aber im Gegensatz zur angeborenen Immunabwehr spezifisch an den Krankheitserreger gebunden. Die hypersensitive Antwort kann aber zu einer systemisch erworbenen Resistenz (systemic acquired resistance; SAR) führen. Diese Form der Resistenz kann durch Pflanzenaktivatoren angestoßen werden. In der Stellungnahme der Amerika­nischen Phytopathologischen Gesellschaft heißt es: „Diese Substanzen gewinnen immer mehr Freunde unter den Landwirten, weil sie weniger giftig für Mensch und Natur sind als die Fungizide und Antibiotika und weil ihre Schutzeffekte länger wirken.“

Interessanter­weise arbeitet die chemische Industrie an der Entwicklung und Vermark­tung von Pflanzenaktivatoren. Syngenta hat in den USA Actigard auf den Markt gebracht; von Bayer stammt das Produkt BioYield. Cuprofix 40 ist ein klassisches Kupferpräparat, wird aber auch als Pflanzenaktivator eingestuft. Die beste Wirkung gegen Pseudomonas syringae, der vor allem an Rosskastanien wütet, aber auch Tomaten befällt, zeigte eine Kombination aus ActiGard und BioYield. Eine viel versprechende Verbindung hat die Abkürzung BABA (beta-amino butyric acid; deutsch: β-Aminobuttersäure); eine andere ist die bereits erwähnte Jasmon­säure. Beide Produkte wurden erfolgreich zur Saatgut­behandlung gegen Botrytis cinerea eingesetzt. BABA wirkt postinfektioneller Aktivität gegenüber Nematoden, Pilzen, Bakterien und dem Tabakmosaikvirus Bekannt ist auch die Wirkung von Extrakten des Sacchalin-Staudenknöterichs gegen den Mehltau.

Eine andere Form der Resistenz wird durch die Stilllegung von Erbanlagen hervorgerufen; das betrifft in erster Linie die Abwehr von Viren. Die pflanzeneigene Chemie kommt zum Einsatz, wenn es Insektenattacken abzuwehren gilt. Viele dieser flüchtigen Substanzen locken die Feinde der Insekten an und informieren benachbarte Pflanzen, ebenfalls diese Verbindungen zu bilden. Pflanzen bilden verstärkte Zellwände, lagern zusätzliches Lignin oder Silikate ein.

Einige Arten bilden sog. „verrückte Zellen (im wissenschaftlichen Sprachgebrauch Idioblasten genannt), die toxische Substanzen bilden oder scharfkantige Kristalle, mit deren Hilfe die Mandibeln der Insekten verletzt werden. Jedermann bekannt sind die Nesseln und Stacheln. Blatthaare auf Sojabohnen verhindern, dass Insekteneier auf der Epidermis festkleben.

Die Klasse der pflanzeneigenen Chemikalien könnte hunderte Lexika füllen. So sind bereits 22.000 Terpenoide bekannt, vom einfachen Isopren bis zum komplexen Azidirachtin des Neembaums. Ähnlich umfangreich ist die Gruppe der Phenole, zu denen die Flavonoide, Anthocyanine, Phytoalexine, Tannine, das Lignin und die Furano­coumarine zählen. Die Gruppe der stickstoffhaltigen Verbindungen umfasst u.a. so bekannte Vertreter wie das Coffein, das Nikotin und das die Pfefferwürze ausmachende Capsaicin. Weitgehend unbekannt sind hingegen die Defensine, die im Endosperm von Weizen und Gerste vorkommen. Diese Gruppe wurde erst in den 1990er Jahren entdeckt. Dabei handelt es sich um Peptide, die sich vor allem aus der schwefelhaligen Aminosäure Cystein zusammensetzen. Als erste wurden zwei wirksame Defensine aus dem Rettich isoliert. Defensine aus der Luzerne zeigen eine Wirkung gegen die Ährenfusariosen.

Viele Pflanzenenzyme sind in der Lage, in den Stoffwechsel der Insekten, der Pilze und Bakterien einzugreifen. Bekanntester Vertreter ist das Beta-Glucan, das eine Wirkung gegen Pilzkrankheiten aufweist.

N E U ! Der Bundeswettbewerb „Jugend forscht“ hat in diesem Jahr auch einen Sieger hervorgebracht, der sich mit dem Immunsystem der Pflanzen beschäftigt. Der 19jährige Alexander Rotsch aus Brandenburg bestrahlte die Ackerschmalwand mit rot- und mit blaulastigen LED-Lampen. Dabei fand er heraus, dass der intensiv erforschte Kreuzblütler (Arabidopsis thaliana) unter Blaulicht mehr Substanzen bildet, die gefährliche Keime abwehren können. Darunter waren auch zwei Substanzen, deren Lichtabhängigkeit bisher unbekannt war. Recherchen u.a. aus

http://spoel.bio.ed.ac.uk/Publications.html

http://www.apsnet.org/edcenter/intropp/topics/Pages/OverviewOfPlantDiseases.aspx

Front. Microbiol., 02 April 2014 | doi: 10.3389/fmicb.2014.00116

Fazit: Wer die Immunabwehr der Pflanzen stärken will, sollte Stress vermeiden. Das fängt bei der Wahl der Saatdichte an und hört bei der Stickstoff- und der Schwefeldüngung nicht auf. Jedes Missverhältnis in der Pflanzenernährung, in der Bodengesundheit ist mit Stress verbunden. Die Landwirte sollten nicht nur auf die Intelligenz der chemischen Industrie und ihrer Berater setzen, sondern auf die Intelligenz der Natur sowie das eigene Gespür, diese Intelligenz zu nutzen.

Viele der beschriebenen Stoffe wurden aus den Pflanzen herausgezüchtet; bei anderen versucht die Wissenschaft diese mit Hilfe der Gentechnik einzukreuzen.

Um die Wirkung von Stickstoffmonoxid auf Kulturpflanzen und Nutztiere sollte sich die Agrarforschung intensiv kümmern. In der Humanmedizin gibt es bereits eine erfolgreiche Forschung, die 1998 mit dem Nobelpreis für Medizin an drei US-amerikanische Forscher ausgezeichnet wurde.