Wie erkennen Pflanzen, dass sie von Schädlingen bedroht sind? Am Speichel ihrer Feinde. Der neu entdeckte pflanzliche Inceptin-Rezeptor erkennt charakteristische Bestandteile des Insektenspeichels und löst Abwehrmaßnahmen aus.

Pflanzen können sich effektiv gegen Krankheitserreger und Schädlinge schützen. Sie haben dazu über Jahrmillionen ein ausgeklügeltes System entwickelt. Im ersten Schritt erkennen sie typische Substanzen, die bei einem Insektenangriff freigesetzt werden. Ist ein knabbernder Feind auf diese Weise ausgemacht, werden passende Abwehrmaßnahmen eingeleitet – etwa die Produktion von insektentoxischen Substanzen.

Im Gegensatz zu den Abwehrmechanismen gegen Pathogene wie Bakterien und Pilze sind die Vorgänge gegen tierische Fressfeinde (Herbivoren) kaum erforscht. Ein internationales Forscherteam hat jetzt einen wichtigen Faktor identifiziert, mit dem die Pflanze ihre Fressfeinde "entlarvt".

PAMPs und HAMPs

Wird eine Pflanze von mikrobiellen Krankheitserregern (Bakterien, Viren, Pilze) angegriffen, erkennt die Pflanze meist recht schnell den Ernst der Situation. Möglich wird das unter anderem durch spezielle Rezeptoren auf der Zelloberfläche, sogenannte PRRs (Pattern Recognition Receptors), die pathogen-spezifische Komponenten (auch Elicitoren genannt) erkennen und eine Abwehrreaktion der Pflanze auslösen.

Elicitoren sind verräterische molekulare Komponenten der Pathogene und werden als MAMPs (Microbe-Associated Molecular Patterns) oder auch als PAMPs (Pathogen-Associated Molecular Patterns) bezeichnet. Solche MAMPs können zum Beispiel charakteristische Lipide der bakteriellen Zellmembranen oder RNA-Bruchstücke von Viren sein.

Auch bei einem Angriff von Herbivoren gibt es spezifische Elicitoren. Sie werden als Herbivore-Associated Molecular Patterns oder HAMPs bezeichnet. Hier handelt es sich zum Beispiel um molekulare Komponenten im Speichel von kauenden Insekten.

Spezielle Antennen

Die Forscher fanden heraus, dass bei Hülsenfrüchtlern wie der Augenbohne (Vigna unguiculata) oder der Gartenbohne (Phaseolus vulgaris) proteolytische Fragmente aus den Chloroplasten als Elicitoren wirken. Diese sogenannten Inceptine entstehen im Speichel der Tiere, sobald sie Blätter fressen. Sie sind Reste der γ-Untereinheit der Chloroplasten-ATP-Synthase.

Die Forscher vermuteten, dass der Erkennungsvorgang der Inceptine in den Pflanzen ähnlich vonstattengeht wie bei der Erkennung von PAMPs, also über einen PRR. Gefahndet hat das Forscherteam daher nach einem Rezeptor, der das am häufigsten vorkommende Inceptin im Speichel, Vu-In (Vigna unguiculata-Inceptin), perzipieren kann. Über Vorwärts-Genetik konnten sie den Inceptin-Rezeptor (INR) und das codierende Gen Vigun07g219600 identifizieren. INR gehört zur Gruppe der LRR-RLP-Proteine (Leucine Rich Repeat-Receptor Like Protein) und löst bei Kontakt mit Vu-In eine Abwehrreaktion aus. Er kommt allerdings nur in bestimmten Hülsenfrüchtlern (Phaseolinae) vor. So zeigten Versuche mit der Sojabohne (Glycine max), dass Vu-In keine Abwehrreaktion auslöst.

Raupen dezimiert

Dagegen entwickelten transgene Tabakpflanzen (Nicotiana benthamiana (Nb), N. tabacum (Nt)), in die das INR-Gen übertragen wurde, deutliche Abwehrreaktionen bei einer Applikation von Vu-In. Es kam zu einem sogenannten "Oxidative Burst", bei der die Pflanze Freie Sauerstoffradikale (engl. Reactive Oxygen Species, kurz ROS) sowie Ethylen freisetzt. Dies sind erste unspezifische Reaktionen von Pflanzen auf Schädlingsbefall und lösen weitere Abwehrreaktionen wie die Freisetzung von Salicylsäure und Jasmonsäure aus.

In einem weiteren Versuch setzten sie die transgenen Tabakpflanzen direkt den Raupen der Zuckerrübeneule (Spodoptera exigua), einem häufigen Schädling, aus. Im Speichel der Raupen entstand statt Vu-In ein vergleichbares Peptid (Nb/Nt-In), das eine ähnliche Reaktion auslöste wie Vu-In. Die Pflanzen setzten in der Folge ebenfalls vermehrt Ethylen und ROS frei. Der Raupenbefall ging dadurch um bis zu 37 Prozent zurück.

Rezept für mehr Widerstandskraft

Der Inceptin-Rezeptor ist das erste Glied der Signalkette, die die Abwehrreaktionen gegen Schadinsekten auslöst. Mit ihm können Pflanzen sogar unterscheiden, ob ein Blattschaden durch Insektenbefall hervorgerufen wird oder ob es sich lediglich um eine mechanische Verletzung – beispielsweise durch Hagel – handelt. Im letzteren Fall wäre ein Ankurbeln der Abwehrreaktionen vergeudete Energie. Da die Versuche zudem gezeigt haben, dass das Rezeptorgen bzw. INR auch in anderen Pflanzenfamilien funktional ist, könnte dieser Mechanismus auch anfällige Kulturpflanzen widerstandsfähiger machen. Das wäre ein weiterer Schritt zu einer nachhaltigeren Landwirtschaft und mehr Versorgungssicherheit.

► Weitere Informationen

Quelle:
Steinbrenner, A.D. et al. (2020): A receptor-like protein mediates plant immune responses to herbivore-associated molecular patterns. In: Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), (8. Dezember 2020), doi: 10.1073/pnas.2018415117.

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Quelle: Journalbeitrag Redaktion Pflanzenforschung.de, 21. Januar 2021