28.04.2018

Forschung: Neu gefundenes Aminosäurederivat macht Pflanzen resistent

N-Hydroxypipecolinsäure (rechts) stimuliert die SAR der Ackerschmalwand, so dass sie immun gegen verschiedene Pflanzenpathogene wie die Blattflecken-Erreger oder den falschen Mehltau gemacht werden. Bild: Jürgen Zeier

Pflanzen besitzen ein komplexes Verteidigungssystem, um sich gegen schädliche Mikroorganismen in ihrer Umwelt zu schützen. Ein Team Düsseldorfer Biologen um Prof. Dr. Jürgen Zeier fand ein Aminosäurederivat, das im pflanzlichen Immunsystem eine zentrale Rolle spielt. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in der Fachzeitschrift Cell.

Pflanzen reagieren auf unterschiedliche Weisen auf eindringende Krankheitserreger („Pathogene“) wie Bakterien oder Pilze. Typisch ist zum Beispiel der kontrollierte Zelltod von Pflanzenzellen rund um eine Infektionsstelle, wodurch den Pathogenen der Zugang zu Nährstoffen entzogen wird. Ein anderer Mechanismus ist die lokale Verstärkung der pflanzlichen Zellwand, welche eine physikalische Barriere zu den gesunden Pflanzenteilen darstellt.

Trotzdem überwinden manche Pflanzenpathogene die Schutzmechanismen und gedeihen in parasitärer Weise auf oder im Pflanzengewebe. Eine Infektion durch Mikroben, die in einem Blatt oder in wenigen Blättern des Pflanzensprosses auftritt, muss aber nicht zwangsläufig zu einer schwerwiegenden Erkrankung der gesamten Pflanze führen. Es gibt nämlich eine weitere wichtige Abwehrkomponente im pflanzlichen Immunsystem: die „systemisch erworbene Resistenz“ (englisch „systemic acquired resistance“, kurz SAR). So kann eine erste Blattinfektion die SAR im gesamten Sprossgewebe aktivieren. Die Pflanze wird so in Alarmbereitschaft versetzt und anschließend sehr effektiv gegen Folgeinfektionen geschützt.

Die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Jürgen Zeier am Institut für Molekulare Ökophysiologie der Pflanzen der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) beschäftigt sich seit mehreren Jahren mit den molekularen Grundlagen des pflanzlichen SAR-Phänomens. Als Untersuchungsobjekt dient vornehmlich die Modellpflanze Arabidopsis thaliana, die Ackerschmalwand. Frühere Studien der Forschergruppe identifizierten zwei unverzichtbare Bausteine der SAR in der Pflanze: ein Protein namens FLAVIN-DEPENDENT-MONOOXYGENASE1 (FMO1) und die Pipecolinsäure, eine vom L-Lysin abgeleitete Aminosäure, deren Vorkommen in sehr vielen verschiedenen Pflanzenarten nachgewiesen wurde.

Aktuelle Arbeiten der Düsseldorfer Biologen zeigen nun, dass die Pipecolinsäure in der Pflanze durch die FMO1-Monooxygenase zur N-Hydroxypipecolinsäure umgesetzt wird, die als aktives Derivat den SAR-Zustand auslöst. Es stellte sich heraus, dass schon eine geringe Menge an N-Hydroxypipecolinsäure – über das Erdsubstrat verabreicht – ausreicht, um sie praktisch vollständig vor Infektionen mit dem bakteriellen Blattflecken-Erreger Pseudomonas syringae oder dem falschen Mehltau Hyaloperonospora arabidopsidis – einem pilzähnlichen Erreger – zu schützen.

Die HHU-Forscher klärten so einen entscheidenden biochemischen Mechanismus der systemisch erworbenen Resistenz in Pflanzen auf. Ihre Ergebnisse veröffentlichen sie in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Cell. Diese Studie und die vorherige Ergebnisse der Gruppe zeigen die Existenz eines vorher unbekannten, von der Aminosäure L-Lysin ausgehenden Stoffwechselweges auf, der zur Bildung des SAR-Regulators N-Hydroxypipecolinsäure führt.

Künftig werden Prof. Zeier und sein Team untersuchen, ob dieser für das Arabidopsis-Immunsystem wesentliche Mechanismus auch in Nutzpflanzen eine ähnlich große Rolle spielt. Mit der pflanzeneigenen N-Hydroxypipecolinsäure fanden sie ein biologisches Pflanzenstärkungsmittel, das vielversprechendes Anwendungspotential im natürlichen Pflanzenschutz haben kann. (Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf)