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18.12.2017

Wirkmechanismus gefährlicher Pflanzenkrankheiten entschlüsselt

Lab Nürnberger - Chance auf Entwicklung neuer biologischer Pflanzenschutzmittel und Herbizide – Ergebnisse im Fachmagazin „Science“ veröffentlicht

Ein internationales Forschungsteam unter Leitung der Universität Tübingen hat die Wirkungsweise eines Giftstoffs entschlüsselt, der bei einigen der am meisten gefürchteten Pflanzenkrankheiten in der Landwirtschaft auftritt. Der toxisch wirkende Stoff, ein Cytolysin, wird von Krankheitserregern wie Bakterien oder Pilzen produziert und kann zur Vernichtung ganzer Ernten führen, wenn nicht mit Pflanzenschutzmitteln gegengehalten wird. Die Ergebnisse der Studie, an der neben den Tübinger Forscherinnen und Forschern auch Kooperationspartner aus Berkeley, Bordeaux, Göttingen, dem slowenischen Ljubljana, dem belgischen Lüttich und Wako in Japan beteiligt waren, bieten das Potenzial, viele Nutzpflanzen in Zukunft besser vor Krankheitserregern zu schützen. Die Studie wurde am Donnerstag im Wissenschaftsmagazin Science veröffentlicht.

Die „Große Hungersnot“ forderte ab 1845 in Irland eine Million Todesopfer und zwang rund zwei Millionen Iren zur Auswanderung. Verursacht wurde die Hungersnot durch die Vernichtung der Kartoffelernte in mehreren aufeinander folgenden Jahren. Auslöser der Katastrophe: ein Eipilz mit dem lateinischen Namen Phytophthora infestans. Die von ihm ausgelöste Kartoffelfäule vernichtet innerhalb kürzester Zeit die infizierte Pflanze samt den Kartoffelknollen.

„Dieser Krankheitserreger produziert mit dem giftigen Cytolysin ein regelrechtes Killertoxin“, erklärte Dr. Isabell Albert vom Zentrum für Molekularbiologie der Pflanzen an der Universität Tübingen. „Ziel des Erregers ist es, Pflanzenzellen zu töten, um sich anschließend von totem Gewebe ernähren zu können.“ Zu diesem Zweck durchlöchert das Cytolysin die Membran der Pflanzenzellen und schädigt diese damit irreparabel. Die betroffenen Zellen sterben ab.

Phytophthora infestans ist nicht der einzige Erreger, der sich dieser Wirkungsweise bedient, erklärt Albert. Auch das so genannte Pectobacterium carotovorum, das vor allem Wurzeln angreift, oder der im Obst- und Gemüseanbau gefürchtete Botrytis-Pilz setzen das Cytolysin ein. Unklar war allerdings bislang, warum das Gift manche Pflanzenarten aggressiv schädigt, während das Toxin anderen Arten nichts anhaben kann. „Beispielsweise werden die Zellen aller Getreidearten von dem Cytolysin nicht zerstört“, sagte die Tübinger Biologin: „Erreger, wie die Krautfäule bleiben daher bei Getreide unschädlich.“

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Tübingen konnten nun zeigen, dass die Empfindlichkeit gegenüber dem Cytolysin von einem Rezeptor der Pflanzenzelle abhängt, der sich bei verschiedenen Pflanzengruppen deutlich voneinander unterscheidet. In beiden Fällen handelt es sich um eine Molekülkette aus Kohlehydraten und Fetten, doch während Pflanzen wie Kartoffeln oder Tomaten nur über eine kurze Molekülkette verfügen, ist diese bei Getreidepflanzen deutlich länger. „Dieser längere Rezeptor führt offensichtlich dazu, dass das Cytolysin bei Weizen oder Gerste zwar andocken kann, aber nicht an die Membran der Pflanzenzellen herankommt und so auch seine tödliche Wirkung nicht entfalten kann“, berichtete Albert.

Wie Professor Thorsten Nürnberger, der Leiter der Studie, erläuterte, bieten die Eigenschaften der verschiedenen Toxin-Rezeptoren ein erhebliches Anwendungspotenzial: „Zu den Pflanzen, die aufgrund ihres Rezeptors empfindlich auf Cytolysin reagieren, gehören auch viele Unkräuter.“ Hier ergebe sich die Chance, auf der Basis eines mikrobiellen Giftstoffs ein natürliches Herbizid zu entwickeln, das sehr selektiv wirke und damit umweltfreundlicher sei als die heute gebräuchlichen chemischen Total-Herbizide wie beispielsweise Glyphosat.

Eine weitere Perspektive, die sich aus der Studie ergebe, sei die Entwicklung neuartiger biologischer Pflanzenschutzmittel, sagte Nürnberger. So sei es denkbar, mit speziellen Zuckermolekülen das giftige Cytolysin so zu blockieren, dass es nicht mehr an die Pflanzenzellen andocken könne. Auf diese Art und Weise sei ein wirksamer Schutz vor den Angriffen verschiedenster tödlicher Pflanzenkrankheiten vorstellbar.

Publikation:

Tea Lenarčič, Isabell Albert, Hannah Böhm, Vesna Hodnik, Katja Pirc, Apolonija B. Zavec, Marjetka Podobnik, David Pahovnik, Ema Žagar, Rory Pruitt, Peter Greimel, Akiko Yamaji-Hasegawa, Toshihide Kobayashi, Agnieszka Zienkiewicz, Jasmin Gömann, Jenny C. Mortimer, Lin Fang, Adiilah Mamode-Cassim, Magali Deleu, Laurence Lins, Claudia Oecking, Ivo Feussner, Sébastien Mongrand, Gregor Anderluh, Thorsten Nürnberger: Eudicot plant-specific sphingolipids determine host selectivity of microbial NLP cytolysins, Science, 2017. DOI: 10.1126/science.aan6874

Kontakt:

Professor Thorsten Nürnberger
Universität Tübingen
Zentrum für Molekularbiologie der Pflanzen
Telefon ++49 7071 29-76658
nuernberger[at]zmbp.uni-tuebingen.de

Dr. Isabell Albert
Universität Tübingen
Zentrum für Molekularbiologie der Pflanzen
Telefon ++49 7071 29-76651
isabell.albert[at]zmbp.uni-tuebingen.de

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