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Biologie: Ver?ffentlichung in "Science Advances"
Wie Pflanzen auf Bedrohungen reagieren k?nnen

Pflanzen sind st?ndig widrigen UmwelteinflĘ╣ssen und Angriffen wie zum Beispiel durch Sch?dlingsbefall ausgesetzt. Ein internationales Forschungsteam unter Leitung der Heinrich-Heine-Universit?t DĘ╣sseldorf (HHU) hat nun einen zentralen Teil des Signalmechanismus beschrieben, mit dem Pflanzen auf Bedrohungen reagieren und dadurch in nicht betroffenen Teilen eine Abwehrreaktion einleiten. Welche Rolle dabei unter anderem das Protein MSL10 spielt, beschreiben sie in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift ?Science Advancesí░.

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(A) Zur Messung der durch Verwundung hervorgerufenen elektrischen Signale wurden Silberelektroden auf der Oberfl?che von Blattstielen der Pflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) platziert. (B) Vergr??erter Ausschnitt von zwei Bl?ttern, die einen genetisch kodierten, fluoreszierenden Biosensor herstellen, der den zellul?ren Kalziumspiegel anzeigt (in Falschfarben). Die helle F?rbung deutet auf einen Anstieg des Kalziumspiegels hin, der durch eine Verwundung des rechten Blattes ausgel?st wurde und sich auf das linke Blatt ausgebreitet hat. Die Platzierung der Silberdrahtelektroden auf der Oberfl?che der Blattstiele (Pfeile) erm?glicht das gleichzeitige Erfassen der elektrischen Aktivit?t der Pflanze.

Schwankende Witterungsbedingungen, ein Wechsel zwischen Trockenheit und Regen, aber auch pflanzenfressende Insekten und Sch?dlinge sind t?gliche Herausforderungen fĘ╣r Pflanzen. Sch?tzungen zufolge gehen weltweit j?hrlich allein zwischen fĘ╣nf und 20 Prozent der Ernteertr?ge durch Insektenfra? (Herbivorie) verloren. Die Modellrechnungen lassen erwarten, dass sich dieser Trend durch die globale Erw?rmung noch weiter versch?rft. Sowohl aus ?konomischer Sicht als auch im Sinne der Nahrungssicherheit ist es deshalb wichtig zu verstehen, wie Pflanzen auf unterschiedliche Bedrohungen reagieren und welche Abwehrstrategien sie dagegen entwickelt haben.

Ein Konsortium von Forscherinnen und Forschern aus Deutschland, der Schweiz und den USA unter Leitung von HHU-Professor Dr. Wolf B. Frommer vom Institut fĘ╣r Molekulare Physiologie hat nun einen zentralen Baustein entdeckt, mit dessen Hilfe Pflanzen bei Sch?dlingsbefall nicht verwundete Bl?tter ?informierení░. Diese Bl?tter k?nnen dann beginnen, Abwehrstoffe zu produzieren, um angrenzendes Gewebe vor den Fressfeinden zu schĘ╣tzen. 

Das Forschungsteam konzentrierte sich auf das Leitgewebe der Pflanzen, welches Wasser und N?hrstoffe zwischen der Wurzel und den oberirdischen Pflanzenteilen transportiert. Sie wollten unter anderem die lang gehegte Vermutung untersuchen, dass dieses Leitgewebe auch zur Ausbreitung von hydraulischen, chemischen und elektrischen Signalen beitr?gt und dass es eine Kopplung von hydraulischer und elektrischer Signalweiterleitung gibt.

In Teilen des Leitgewebes herrscht durch den kontinuierlichen Wasserstrom ein Unterdruck. Dieser Strom wird bei einer Verwundung pl?tzlich unterbrochen und die Druckverh?ltnisse ?ndern sich. Die Forscher identifizierten nun einen mechanosensitiven Ionenkanal ?MSL 10í░, der die Dehnung der Zellmembran und damit Druckver?nderungen registriert. Wenn diese Druck?nderung zeitgleich mit einem Anstieg des Botenstoffs Glutamat ĘC der ebenfalls bei Verwundungen ausgeschĘ╣ttet wird ĘC erfolgt, ist die Pflanze tats?chlich vor einer realen Wunde gewarnt. Dagegen kann eine h?here Glutamatmenge allein auch auf anderen Schwankungen beruhen. Die Druck?nderung verschafft dem Glutamatanstieg also Signifikanz. Mithilfe von Oberfl?chenelektroden, die auf verwundete und unversehrten Bl?ttern platziert wurden, konnte dieses elektrische Signal in Form charakteristischer Spannungskurven gemessen werden.

Ein SchlĘ╣sselexperiment war, die Bildung des MSL10-Proteins zu blockieren. Ohne MSL-10 ist das elektrische Wundsignal verkĘ╣rzt, SignalmolekĘ╣le wie Kalziumionen breiten sich deutlich schlechter aus. Ebenfalls produzieren diese Pflanzen weniger VerteidigungsmolekĘ╣le gegen Fressfeinde.

Dr. Thomas Kleist und Dr. Michael Wudick von der HHU, denen eine SchlĘ╣sselrolle in dem Projekt zukam, heben hervor: ?Damit gelang es unserem internationalen Team erstmals nachzuweisen, dass ein mechanosensitiver Ionenkanal, der durch eine Verwundung aktiviert wird, zur Reizweiterleitung in Pflanzen n?tig ist.í░

Au?erdem entwickelte das Team ein Modell, das veranschaulicht, wie MSL10 mit anderen Proteinen wechselwirkt, die ebenfalls zur Signalweiterleitung beitragen. Die Forschungsergebnisse sind ein klarer Hinweis, dass die zugrunde gelegte Annahme eines Zusammenhangs zwischen elektrischer und hydraulischer Signalleitung zutrifft.

Prof. Frommer zu den weiterfĘ╣hrenden Aspekten der jetzt in Science Advances ver?ffentlichten Ergebnisse: ?Es ist faszinierend zu sehen, das Pflanzen ?hnlich so wie Tiere und wir Menschen elektrische Signale nutzen und sogar ?hnliche Komponenten beteiligt sind. Wenn wir die Wundsignalweiterleitung und die an ihr beteiligten Prozesse und Komponenten besser verstehen, k?nnen wir m?glicherweise den Pflanzen helfen, Bedrohungen schneller zu erkennen und abzuwehren. Dies kann wiederum dazu beitragen, dass Ernteausf?llen durch Sch?dlingsbefall und Insektenfra? entgegengewirkt werden kann.í░

Beteiligt am Forschungsprojekt waren Institute der Heinrich-Heine-Universit?t DĘ╣sseldorf und des Forschungszentrums JĘ╣lich, der University of Lausanne in der Schweiz sowie der Stanford University, der Carnegie Institution of Science und der Washington University in St. Louis in den USA. Von der HHU arbeiten allein drei Institute an dem Forschungsprojekt mit: das Institut fĘ╣r Molekulare Physiologie (Leitung Prof. Dr. Wolf B. Frommer), das Institut fĘ╣r Pharmazeutische und Medizinische Chemie (Leitung Prof. Dr. Holger Gohlke) und die Arbeitsgruppe fĘ╣r ComputergestĘ╣tzte Zellbiologie (Leitung Prof. Dr. Martin Lercher).

Originalpublikation

J. Moe-Lange, N. M. Gappel, M. Machado, M. M. Wudick, C. S. A. Sies, S. N. Schott-Verdugo, M. Bonus, S. Mishra, T. Hartwig, M. Bezrutczyk, D. Basu, E. E. Farmer, H. Gohlke, A. Malkovskiy, E. S. Haswell, M. J. Lercher, D. W. Ehrhardt, W. B. Frommer, T. J. Kleist, Interdependence of a mechanosensitive anion channel and glutamate receptors in distal wound signaling. Sci. Adv. 7, eabg4298 (2021). www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abg4298

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