Pflanzenzellen entwickeln Immunkräfte zur Bekämpfung von Krankheiten

Pflanzenzellen entwickeln Immunkräfte zur Bekämpfung von Krankheiten

Wissenschaftler der Salk-Universität entdeckten, dass Pflanzenzellen in einen seltenen Immunzustand übergehen, um Krankheitserreger zu bekämpfen und in der gesamten Pflanze Alarm auszulösen.

LA JOLLA—Der menschliche Körper verteidigt sich mithilfe einer vielfältigen Population von Immunzellen, die von einem Organ zum anderen zirkulieren und auf alles von Schnittwunden über Erkältungen bis hin zu Krebs reagieren. Pflanzen haben diesen Luxus jedoch nicht. Da Pflanzenzellen unbeweglich sind, muss jede einzelne Zelle neben ihren vielen anderen Aufgaben, wie der Umwandlung von Sonnenlicht in Energie oder der Nutzung dieser Energie zum Wachsen, ihre eigene Immunität verwalten. Wie diese Multitasking-Zellen das alles schaffen – Bedrohungen erkennen, diese Bedrohungen kommunizieren und effektiv reagieren –, ist bislang unklar.

Neue Forschungsergebnisse von Wissenschaftlern des Salk Institute zeigen, wie Pflanzenzellen ihre Rollen wechseln, um sich vor Krankheitserregern zu schützen. Bei einer Bedrohung gehen die Zellen in einen spezialisierten Immunzustand über und werden vorübergehend zu PRIMARY IMMUNE Responder (PRIMER)-Zellen – einer neuen Zellpopulation, die als Knotenpunkt zur Einleitung der Immunreaktion fungiert. Die Forscher entdeckten außerdem, dass PRIMER-Zellen von einer anderen Zellpopulation umgeben sind, die sie Bystander-Zellen nennen und die für die Übertragung der Immunreaktion in der gesamten Pflanze wichtig zu sein scheinen.

Die Ergebnisse, veröffentlicht in Natur am 8. Januar 2025 sollen Forscher dem Verständnis des Immunsystems von Pflanzen näher kommen – eine zunehmend wichtige Aufgabe angesichts der wachsenden Bedrohungen durch antimikrobielle Resistenzen und den Klimawandel, die beide die Ausbreitung von Infektionskrankheiten beschleunigen.

„In der Natur sind Pflanzen ständig angegriffen werden und benötigen ein gut funktionierendes Immunsystem“, sagt Professor Josef Ecker, Hauptautor der Studie, Vorsitzender des Salk International Council für Genetik und Forscher am Howard Hughes Medical Institute. „Aber Pflanzen haben keine mobilen, spezialisierten Immunzellen wie wir – sie müssen ein völlig anderes System entwickeln, in dem jede Zelle auf Immunangriffe reagieren kann, ohne ihre anderen Aufgaben zu vernachlässigen. Bis jetzt waren wir uns nicht ganz sicher, wie Pflanzen dies erreichen.“

Pflanzen sind mit einer Vielzahl von Krankheitserregern konfrontiert, beispielsweise Bakterien, die durch die Poren an der Blattoberfläche eindringen, oder Pilze, die direkt in die „Hautzellen“ der Pflanzen eindringen. Da Pflanzenzellen ortsgebunden sind, sind sie bei Kontakt mit einem dieser Krankheitserreger allein dafür verantwortlich, zu reagieren und benachbarte Zellen zu alarmieren. Ein weiterer interessanter Nebeneffekt unbeweglicher Zellen ist die Tatsache, dass verschiedene Krankheitserreger an unterschiedlichen Orten und zu unterschiedlichen Zeiten in eine Pflanze eindringen können, was dazu führt, dass in der gesamten Pflanze gleichzeitig verschiedene Immunreaktionsstadien auftreten.

Da Faktoren wie Zeitpunkt, Ort, Reaktionszustand und mehr eine Rolle spielen, ist eine infizierte Pflanze ein komplizierter Organismus, den es zu verstehen gilt. Um dies zu bewältigen, griff das Salk-Team auf zwei hochentwickelte Zellprofilierungstechniken zurück: die zeitaufgelöste Einzelzell-Multiomik und die räumliche Transkriptomik. Durch die Kombination der beiden Techniken konnte das Team die Immunreaktion der Pflanze in jeder Zelle mit beispielloser räumlich-zeitlicher Auflösung erfassen.

„Die Entdeckung dieser seltenen PRIMER-Zellen und der sie umgebenden Bystander-Zellen gibt uns enorme Einblicke in die Art und Weise, wie Pflanzenzellen kommunizieren, um die vielen äußeren Bedrohungen zu überleben, denen sie täglich ausgesetzt sind“, sagt Erstautor Tatsuya Nobori, ein ehemaliger Postdoktorand in Eckers Labor und aktueller Gruppenleiter am Sainsbury Laboratory im Vereinigten Königreich.

Das Team führte bakterielle Krankheitserreger in die Blätter von Arabidopsis thaliana—ein blühendes Unkraut aus der Familie der Kreuzblütler, das häufig als Forschungsmodell verwendet wird. Anschließend analysierten sie die Reaktion der Pflanze, um den Zustand jeder Zelle nach der Infektion umfassend zu identifizieren. Dabei entdeckten sie einen neuartigen Zustand der Immunantwort, den sie PRIMER nannten und der in Zellen an bestimmten Immun-Hotspots auftrat. Die PRIMER-Zellen exprimierten einen neuen Transkriptionsfaktor – eine Art Protein, das die Genexpression reguliert – namens GT-3a, der wahrscheinlich ein wichtiger vorgeschalteter Alarm ist, der andere Zellen auf eine aktive Immunantwort der Pflanze aufmerksam macht.

Darüber hinaus erwiesen sich die Zellen, die diese PRIMER-Zellen umgeben, als ebenso wichtig. Die so genannten „Bystander-Zellen“ exprimierten in unmittelbarer Nachbarschaft der PRIMER-Zellen Gene, die eine Kommunikation von Zelle zu Zelle über große Entfernungen ermöglichen. Die Forscher planen, diese Beziehung in zukünftigen Untersuchungen aufzuklären, aber vorerst vermuten sie, dass die Interaktionen zwischen PRIMER- und Bystander-Zellen der Schlüssel zur Ausbreitung der Immunreaktion im Blatt sind.

Dieser neue räumlich-zeitliche, zellspezifische Einblick in die Immunantwort der Pflanzen ist bereits als Referenzdatenbank verfügbar für Forscher weltweit. Da sich Krankheitserreger aufgrund klimabedingter Umweltveränderungen und zunehmender Antibiotikaresistenzen weiterentwickeln und verbreiten, bietet die Datenbank ein wichtiges Sprungbrett für die Erhaltung einer Zukunft voller gesunder Pflanzen und Nutzpflanzen.

„Es besteht heutzutage großes Interesse und große Nachfrage nach detaillierten Zellatlanten, daher freuen wir uns, einen neuen zu erstellen, der öffentlich zugänglich ist und von anderen Forschern verwendet werden kann“, sagt Ecker. „Unser Atlas könnte zu vielen neuen Erkenntnissen darüber führen, wie einzelne Pflanzenzellen auf Umweltstressoren reagieren, was für die Züchtung klimaresistenterer Nutzpflanzen von entscheidender Bedeutung sein wird.“

Weitere Autoren sind Joseph Nery von Salk, Alexander Monell von Salk und UC San Diego, Travis Lee von Salk und Howard Hughes Medical Institute sowie Yuka Sakata, Shoma Shirahama und Akira Mine von der Universität Kyoto in Japan.

Die Arbeit wurde vom Howard Hughes Medical Institute und dem Human Frontiers Science Program unterstützt.

DOI: 10.1038 / s41586-024-08383-z