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Pilzinfektionen: Systemische Unterdrückung des Weizen-Immunsystems

Kieler Forschungsteam untersucht, wie bestimmte sch?dliche Pilze das Immunsystem ihrer Wirtspflanzen herunterregulieren, um neue Infektionen zu erm?glichen

Weizen ist eine der bedeutendsten Kulturpflanzen weltweit und bildet den Rohstoff für zahlreiche Grundnahrungsmittel. Als das am zweith?ufigsten angebaute Getreide kommt der Weizen allein in Deutschland auf einen Ertrag von etwa 20-25 Millionen Tonnen j?hrlich. Im nordwestlichen Europa ist der Anbau allerdings mit dem sch?dlichen Pilz Zymoseptoria tritici konfrontiert, der die Weizenbl?tter bef?llt und so gravierende Ernteeinbu?en von bis zu 50 Prozent verursachen kann. Der Schutz des Getreides vor diesem Pilz ist für rund 70 Prozent der in Deutschland eingesetzten Menge an Pflanzenschutzmitteln verantwortlich - und stellt also eine zentrale Herausforderung für die Ern?hrungssicherheit dar. Forschende arbeiten einerseits an der Züchtung resistenter Arten und andererseits an neuartigen und nachhaltigen Pflanzenschutzstrategien, um den Pilz in Schach zu halten. An der Christian-Albrechts-Universit?t zu Kiel (CAU) erforscht die Arbeitsgruppe Umweltgenomik um Professorin Eva Stukenbrock unter anderem die molekularen Interaktionen von Pflanze und Pilz und die daraus hervorgehenden gegenseitigen evolution?ren Anpassungen. In diesem Zusammenhang hat das Kieler Forschungsteam nun eine unter anderem vom Canadian Institute for Advanced Research (CIFAR) und dem CAU-Sonderforschungsbereich (SFB) 1182 ?Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen“ unterstützte Studie ver?ffentlicht, die den Mechanismus einer Pilzinfektion beim Weizen insbesondere hinsichtlich der Auswirkungen auf das pflanzliche Immunsystem untersucht. Die Forschenden konnten zeigen, dass der Pilz den pflanzlichen Stoffwechsel beeinflusst, die Zusammensetzung des Weizenmikrobioms ver?ndert und eine r?umliche begrenzte Infektion mit Z. tritici eine systemische Unterdrückung des pflanzlichen Immunsystems bewirkt, die dem Sch?dling die weitere Ansiedlung erleichtert. Ihre Arbeit ver?ffentlichten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler heute in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications.
 

Pilzinfektionen unterdrücken das pflanzliche Immunsystem

Die Kieler Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchten die Mechanismen der Pilzinfektion anhand zweier verschiedener Weizensorten: einer gegenüber den Pilzen anf?lligen und einer entsprechend resistenten Sorte. Dabei konzentrierten sie sich auf Ver?nderungen des pflanzlichen Stoffwechsels. Die resistenten Pflanzen produzieren nach dem Eindringen des Pilzes einerseits antifungale Stoffwechselprodukte, die das Wachstum des Pilzes hemmen. Zudem werden bestimmte Stoffe gebildet, die die Zellw?nde der Pflanzenzellen verst?rken. Dies erschwert das Eindringen des Pilzes zus?tzlich und hilft bei der Abwehr der Infektion. Bei den anf?lligen Weizenpflanzen sind diese Mechanismen jedoch ver?ndert. Sie k?nnen keine pilzhemmenden Stoffwechselprodukte mehr ausschütten oder ihre Zellw?nde verst?rken, sobald eine Z. tritici-Infektion vorliegt. ?Interessanterweise sind diese Effekte nicht lokal auf den Infektionsherd begrenzt“, betont Dr. Heike Seybold, ehemalige Postdoktorandin in Stukenbrocks Arbeitsgruppe und aktuell Wissenschaftlerin an der Hebrew University of Jerusalem. ?Wir konnten zeigen, dass es im Zuge des Pilzbefalls bei bestimmten Weizensorten zu einer systemischen Unterdrückung des Immunsystems kommt und vermuten, dass der Pilz diesen Effekt bewirken kann “, so Seybold weiter.
 

Sch?dliche Pilze ver?ndern pflanzliches Mikrobiom

Diese Prozesse lassen sich auch anhand der mikrobiellen Besiedlung der Weizenpflanzen nachvollziehen: Das pflanzliche Mikrobiom ?ndert sich nach dem Kontakt mit dem Pilz in Menge und Zusammensetzung der darin vertretenen Mikroorganismen. ?Bei der pilzresistenten Sorte nimmt die Diversit?t der verschiedenen Arten innerhalb des Mikrobioms ab, sobald die Pflanze infiziert wird“, erkl?rt Seybold. ?Das bedeutet, dass vor allem die zum Kernmikrobiom geh?renden Arten verbleiben, w?hrend die Immunantwort hochgefahren wird“, so Seybold weiter. Die Forschenden vermuten, dass dieser Effekt auf einer evolution?ren Anpassung der Pflanze an den Sch?dling beruht. Bei der anf?lligen Weizensorte ist der Effekt dementsprechend nicht ausgepr?gt. Eine Pilzinfektion bei resistenten Pflanzen führt also dazu, dass die Ansiedlung bestimmter Arten im Mikrobiom verhindert und so seine Gesamtzusammensetzung zur Abwehr der Infektion in funktioneller Hinsicht ge?ndert wird.

In einem n?chsten Schritt untersuchten die Forschenden, wie sich diese Ver?nderungen auf die Anf?lligkeit der Pflanzen gegenüber anderen Schadorganismen auswirkten, zum Beispiel bestimmte sch?dliche Bakterienarten. Wenn man nicht mit dem Pilz infizierte Weizenpflanzen zun?chst nur mit den Bakterien infiziert, wuchsen diese gleich gut auf der resistenten und auf der anf?lligen Sorte. ?Unterschiede im Bakterienwachstum treten erst auf, wenn man beide Sorten gleichzeitig, aber r?umlich getrennten mit Z. tritici und dem Bakterium infiziert“, erkl?rt Seybold. In diesem Fall zeigte sich, dass die resistente Sorte sowohl den Pilz als auch die Bakterien abwehren konnte. Die pilzanf?llige Sorte wurde dagegen noch anf?lliger für die Bakterien als vorher. ?Dies unterstreicht, dass der Pilz in der Lage ist, unabh?ngig vom Infektionsort das Immunsystems des Weizens insgesamt zu unterdrücken“, so Seybold weiter.

Wert der transdisziplin?ren Kooperation

Die neuen Ergebnisse der CAU-Forschenden sind das Produkt einer umfangreichen Zusammenarbeit verschiedener Expertisen: Die Pflanzenforschenden des botanischen Instituts kooperierten mit den Expertinnen und Experten für Genomsequenzierungen und den Fachleuten für die Analyse von Stoffwechseldaten in der sogenannten Metabolomics-Forschung - namentlich in Professor Andre Frankes Arbeitsgruppe Genetik und Bioinformatik am Institut für Klinische Molekularbiologie und in der Abteilung für Lebensmitteltechnologie um Professorin Karin Schwarz am Institut für Humanern?hrung und Lebensmittelkunde, beide an der CAU. Nur mit dieser gemeinsamen Anstrengung gelang es, wertvolle neue Erkenntnisse über die Wechselwirkungen von Nutzpflanzen und Sch?dlingen aus drei sich erg?nzenden wissenschaftlichen Perspektiven zu gewinnen. ?Unsere neue transdisziplin?re Studie ist für die weitere Erforschung von nachhaltigen Pflanzenschutzstrategien von gro?er Bedeutung“, unterstreicht Stukenbrock, Sprecherin des CAU-Pflanzenforschungszentrums ?Kiel Plant Center“ (KPC). ?Wir konnten erstmals belegen, wie ein Pflanzensch?dling eine systemische Immunantwort bei Nutzpflanzen ausl?sen und damit eine erh?hte Anf?lligkeit gegenüber anderen Schadorganismen verursachen kann“, so Stukenbrock weiter. Damit ist nun eine zus?tzliche wichtige Facette aus der Grundlagenforschung bekannt, die in Zukunft zur Entwicklung von neuen Schutzstrategien für den Pflanzenbau genutzt werden kann.

Weitere Informationen:

Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme von Pilzhyphen
? Dr. Janine Haueisen

Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme von Pilzhyphen, die eine Spalt?ffnung des Weizenblatts in der frühen Phase einer Infektion durchwachsen.

Pilzfruchtk?rper auf einem Weizenblatt
? Dr. Amine Hassani

Pycnidien, die Pilzfruchtk?rper, auf einem Weizenblatt in einem Infektionsexperiment: Ihre Z?hlung hilft bei der Beurteilung der F?higkeit der Pilze, die Pflanze zu infizieren.

Agarplatten mit Pseudomonas-Bakterien
? Dr. Heike Seybold

Anhand von Agarplatten mit Pseudomonas-Bakterien, die aus Weizen nach vorheriger Infektion isoliert wurden, l?sst sich die Menge der Bakterien bestimmen, die im Inneren der Pflanze wachsen.

Originalarbeit:

Heike Seybold, Tobias J. Demetrowitsch, M. Amine Hassani, Silke Szymczak, Ekaterina Reim, Janine Haueisen, Luisa Lu?bbers, Malte Ru?hlemann, Andre Franke, Karin Schwarz, and Eva H. Stukenbrock (2020): Fungal pathogen induces systemic susceptibility and systemic shifts in wheat metabolome and microbiome composition Nature Communications Published: 20 April 2020
DOI: 10.1038/s41467-020-15633-x

Kontakt:

Prof. Eva Stukenbrock
Arbeitsgruppe Umweltgenomik, Botanisches Institut
CAU Kiel/Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie, Pl?n
0431-880-4274
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Pressekontakt:

Christian Urban
Wissenschaftskommunikation
?Kiel Life Science", CAU Kiel  
0431-880-1974
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