Die Wissenschaftler untersuchten die Immunmechanismen gegen Lipopolysaccharid an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand). © Stefanie Ranf / TUM
Wie Menschen und Tiere besitzen auch Pflanzen eine natürliche Immunität, mit deren Hilfe sie Krankheitserreger abwehren. Dabei dienen molekulare Strukturen, die für die Erreger spezifisch sind und nicht in Menschen, Tieren oder Pflanzen vorkommen als Erkennungsmerkmal und Auslöser der Immunantwort. Das Lipopolysaccharid, auch Endotoxin genannt, das in der Außenhülle bestimmter Bakterien vorkommt ist eine solche Substanz. Ein Wissenschaftler-Team hat nun den ersten Immunsensor für Lipopolysaccharid bei Pflanzen beschrieben.
Nicht nur Menschen und Tiere, sondern auch Kulturpflanzen, wie beispielsweise Tomate, Kohlgewächse und Reis werden von Bakterien befallen. Das führt weltweit zu gravierenden Ernteverlusten. Pflanzen sind jedoch gegenüber dem bakteriellen Befall nicht wehrlos, denn auch sie besitzen ein natürliches Immunsystem. Dabei erkennen verschiedene Immunsensoren Substanzen, die nur in Mikroorganismen vorkommen und lösen Abwehrreaktionen aus. In Säugetieren erkennt der Toll-Like Receptor 4 (TLR4) beispielsweise Lipopolysaccharid, das auch als Endotoxin bezeichnet wird und der Hauptbestandteil der Außenhülle von vielen bakteriellen Krankheitserregern ist.
Da auch Pflanzen auf Lipopolysaccharid mit einer Immunantwort reagieren, wurde angenommen, dass auch sie einen Immunsensor für diese Substanz besitzen. Die Natur dieses Sensors war bisher jedoch noch unbekannt. Ein Team aus Wissenschaftlern verschiedener Disziplinen hat jetzt den Erkennungsmechanismus für bakterielles Lipopolysaccharid in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) entschlüsselt.
Die Suche nach dem pflanzlichen Lipopolysaccharid-Sensor war nicht einfach, da Endotoxin nicht ein definiertes Molekül, sondern ein komplexes Gemisch von ähnlichen Lipopolysaccharid-Molekülen darstellt. Daher lässt es sich auch bisher nicht synthetisch für Versuche herstellen. Die Analyse, Reinigung und chemische Auftrennung der Bestandteile des Lipopolysaccharids war deshalb eine wichtige Voraussetzung für die genetischen und biochemischen Tests an den Pflanzen.
Protein LORE dient Pflanzen als Sensor eines bakteriellen Befalls
Die Wissenschaftler konnten jetzt entschlüsseln, mit welchem Sensor Arabidopsis-Pflanzen Lipopolysaccharid erkennen. Wie sie durch ihre Experimente zeigen konnten übernimmt das von ihnen entdeckte Protein LORE („LipoOligosaccharide-specific Reduced Elicitation“) diese Aufgabe und leitet die nachfolgende Immunabwehr ein. LORE unterscheidet sich in seinem Aufbau prinzipiell von tierischen Lipopolysaccharid-Sensoren. Die Evolution hat das Prinzip eines Erkennungssystems für Lipopolysaccharid also gleich zweimal unabhängig voneinander entwickelt: einmal bei Tieren und ein weiteres Mal bei Pflanzen.
Die Wissenschaftler konnten ebenfalls zeigen, dass trotz des unterschiedlichen Aufbaus der Sensoren sowohl Tiere als auch Pflanzen denselben Bestandteil des Lipopolysaccharid, das so genannte Lipid A, erkennen. Lipid A kann bei Menschen und Säugetieren zu einer überschießenden Immunantwort mit lebensbedrohlichen Komplikationen, der Sepsis und dem septischen Schock, führen.
Interessanterweise verfügen nicht alle Pflanzen über den Immunsensor LORE, sondern nur Kreuzblütler. Zu dieser Pflanzenfamilie gehören neben Arabidopsis wichtige Kulturpflanzen wie Kohlgewächse, Senf und Raps. Wie die Wissenschaftler jedoch weiterhin herausfanden, behält der Sensor seine Funktion, wenn man ihn in andere Pflanzen überträgt. Er könnte also als Werkzeug zur Erforschung und Erzeugung von Pflanzen mit verbesserter Resistenz gegen bakterielle Erreger dienen, so die Forscher.
Technische Universität München, 02.03.2015
Originalpublikation:
Stefanie Ranf, Nicolas Gisch, Milena Schäffer, Tina Illig, Lore Westphal, Yuriy A. Knirel, Patricia M. Sánchez-Carballo, Ulrich Zähringer, Ralph Hückelhoven, Justin Lee & Dierk Scheel, A lectin S-domain receptor kinase mediates lipopolysaccharide sensing in Arabidopsis thaliana, Nature Immunology. DOI: 10.1038/ni.3124