Herzlich willkommen zur Vorlesung. Pflanzenphysiologie

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1 Herzlich willkommen zur Vorlesung Pflanzenphysiologie 1

2 Block 2: Sinnesphysiologie; Interaktionen von Pflanzen mit der belebten und unbelebten Umwelt; Signale und ihre Verarbeitung Biotische Interaktionen: Symbiosen, Pathogenabwehr, Allelopathie Reaktionen auf abiotische Faktoren Die Stresshormone ABA, JA, Ethylen, (SA) Die Sinne der Pflanzen: sehen, schmecken, tasten, riechen 2

3 Umweltreize für Pflanzen Photosynthetisch aktives Licht (Stärke, Richtung etc.) CO 2 Wind als mechanische Kraft Photomorphogenetisch aktives Licht (z.b. Tageslänge) Pathogene Mikroorganismen Temperatur Flüchtige Botenstoffe Herbivoren Luftfeuchtigkeit Schwerkraft Bodenfauna Wassersättigung Osmotische Bedingungen Bodenqualität Symbiotische Mikroorganismen Nährstoffangebot 3

4 Pflanzenpathogene und pflanzliche Abwehr Krankheit ist die seltene Ausnahme trotz der ständigen Präsenz potentieller Pathogene. Pflanzen besitzen ein effektives Immunsystem. Da Pflanzenkrankheiten jedoch die Landwirtschaft schon immer beeinträchtigt haben, ist die Frage nach ihrer Natur eine der ältesten Fragen der Biologie. Schon Jahrzehnte vor Pasteur und Koch wurde gezeigt, dass Pilze Pflanzenkrankheiten auslösen können. Jedoch gab es häufig Schwierigkeiten mit dem Kochschen Postulat, dass der pathogene Mikroorganismus in Reinkultur angezogen werden muss (bis heute z.b. bei Mehltau- Pilzen nicht möglich). 4 Buchanan, Gruissem, Jones, Biochemistry & Molecular Biology of Plants

5 Krankheit ist die seltene Ausnahme trotz der ständigen Präsenz potentieller Pathogene Krankheit kann in Monokulturen mit wenig genetischer Diversität jedoch verheerende Auswirkungen haben. Losses to Pests and Pathogens Cereals Potatoes Sugar crops Vegetables Fruits Oil crops Fiber crops From: Agrios, Plant Pathology, Academic Press 1978 Total Pathogens Millions of tons Folie: Jeff Dangl

6 Pflanzenpathogene und pflanzliche Abwehr Welche Pathogene gibt es? Wie wird Pflanzenkrankheit verursacht? Welches sind die Mechanismen der Pathogenität? Grundsätzlich sind zwei Prozesse erforderlich: 1. Wirtserkennung 2. Etablierung des Pathogens mit Hilfe von Pathogenitätsfaktoren Buchanan, Gruissem, Jones, Biochemistry & Molecular Biology of Plants 6

7 Pilzliche Pathogene Nur ein kleine Fraktion der bekannten Pilze ist in der Lage, Pflanzen zu kolonisieren. Dennoch handelt es sich um die bedeutendste Gruppe der Pathogene. Eine grundsätzliche und vor allem für Pilze relevante Unterscheidung ist: Biotrophe: obligate Parasiten, die sich vom lebenden Wirtsorganismus ernähren Nekrotrophe: Zellen und Gewebe des Wirtsorganismus werden getötet, Resorption von Nährstoffen aus dem zerstörten Bereich Colletotrichum spec. 7

8 Oomyceten als Pathogene Oomyceten galten bis vor einiger Zeit noch als Pilze. Simpson & Roger (2004) Curr. Biol. 14: R693 R696 Simpson & Roger (2004) Curr. Biol. 14: R693 R696 8

9 Oomyceten als Pathogene Wohl berühmtester Vertreter ist Phytophthora infestans, Auslöser der großen Hungersnöte in Irland in den Jahren 1846 und P. infestans verursacht die Kraut- und Knollenfäule der Kartoffel und ist ein Beispiel für einen hemibiotrophen Pilz. Der Pilz, der John F. Kennedy zum Präsidenten machte 9

10 Bakterien als Pathogene Vor allem Gram-negative Stäbchen der Gattungen Pseudomonas, Erwinia, Xanthomonas sind Pflanzenpathogene. 10

11 Pflanzenviren Historisch bedeutend war die Entdeckung des Tabakmosaikvirus (TMV). Schon Ende des 19. Jahrhunderts wurde mit TMV gezeigt, dass es Krankheitserreger gibt, die kleiner sind als Bakterien. Infektion durch Tabakmosaikvirus 11

12 Pflanzenviren Die meisten Pflanzenviren sind RNA-Viren. Die RNA liegt fast immer einzelsträngig vor und ist umgeben von einer Proteinhülle (Capsid). RNA Capsid Tabakmosaikvirus 12

13 Pflanzenviren Die Ausbreitung von Pflanzenviren passiert über Plasmodesmata und Phloem (systemische Infektion). Im Gegensatz zu Viren in tierischen Systemen erfolgt keine Überquerung der Plasmamembran der Wirtszelle. 13

14 Nematoden als Pflanzenpathogene Nematoden infizieren fast immer Wurzeln. Pflanzenpathogene Nematoden sind alle obligat biotroph. Man unterscheidet ektoparasitische und endoparasitische Nematoden. Bedeutendste Schädlinge sind endoparasitische Nematoden der Familie Heteroderidae. 14

15 Parasitische Pflanzen Parasitische Pflanzen sind zumeist Angiospermen. Man unterscheidet: Hemiparasiten: betreiben noch Photosynthese, Wasser und Nährstoffe werden mittels Haustorien aus dem Xylem des Wirtes entnommen (Bsp.: Misteln) Holoparasiten: diese stellen einen Anschluss auch an das Phloem der Wirte her und betreiben selbst keine (kaum) Photosynthese mehr (Bspe.: Striga, Orobanche, Cuscuta (=Teufelszwirn)) 15

16 Die durch die bisher angesprochenen Organismen ausgelösten Schäden werden als Pflanzenkrankheiten angesprochen. Der Befall durch parasitische Pflanzen wird manchmal noch davon ausgenommen, obwohl wirtschaftliche Schäden durch parasitische Pflanzen enorm sind. 16 Buchanan, Gruissem, Jones, Biochemistry & Molecular Biology of Plants

17 Bei herbivoren Insekten spricht man dagegen nicht von Pathogenen Kauende... Saugende... Herbivorie erleichtert jedoch Sekundärinfektionen durch die vorher besprochenen Mikroorganismen. 17

18 Pflanzenpathogene und pflanzliche Abwehr Welche Pathogene gibt es? Wie wird Pflanzenkrankheit verursacht? Welches sind die Mechanismen der Pathogenität? Grundsätzlich sind zwei Prozesse erforderlich: 1. Wirtserkennung 2. Etablierung des Pathogens mit Hilfe von Pathogenitätsfaktoren 18 Buchanan, Gruissem, Jones, Biochemistry & Molecular Biology of Plants

19 Welche Pathogene gibt es? Wie wird Pflanzenkrankheit verursacht? Welches sind die Mechanismen der Pathogenität? Strasburger, Lehrbuch der Botanik,

20 Biotrophe Pilze formen Haustorien Biotrophe Pilze halten ihren Wirt am Leben und unterdrücken die Immunabwehr. Green Islands, Mehltau auf Gerste MPI Köln Pilzsporen keimen aus, formen ein Appressorium und penetrieren die Wirtszelle (mechanisch und enzymatisch). Im Inneren der Zelle bilden sie Haustorien aus. 20

21 Pathogenitätsfaktoren von Pilzen 1. Wirtsspezifische und unspezifische Toxine Fusicoccin aktiviert die H + -ATPase in Stomata, führt damit zur permanenten Stomataöffnung und so zum Welken. 21 Strasburger, Lehrbuch der Botanik, 8-15A

22 Pathogenitätsfaktoren von Pilzen 1. Wirtsspezifische und unspezifische Toxine 2. Regulatoren wie Phytohormone Bildung von Gibberellinen durch Gibberella fujikuroi: Gibberelline sind in den 1930er Jahren von japanischen Wissenschaftlern entdeckt worden, die sich mit einer Reiskrankheit (Bakanae = verrückter Keimling) beschäftigt haben. Diese äußert sich in einem zu starken Wachstum von Reiskeimlingen und wird verursacht durch Gibberella fujikuroi. Die Reiskeimlinge neigen zum Umfallen und bringen geringere Erträge. 22

23 Pathogenitätsfaktoren von Pilzen 1. Wirtsspezifische und unspezifische Toxine 2. Regulatoren wie Phytohormone 3. Zellwand-abbauende Enzyme: Cutinasen, Pektinasen etc. Strasburger, Lehrbuch der Botanik,

24 Bakterien als Pathogene Phytopathogene Bakterien besiedeln den Apoplasten. Zu den Pathogenitätsmechanismen zählen: Toxine, Regulatoren, extrazelluläre Polysaccharide, Zellwand-abbauende Enzyme (vor allem Pektinasen). Es existieren große Ähnlichkeiten in den Pathogenitätsmechanismen von pflanzen- und humanpathogenen Bakterien. 24

25 Das Typ-III-Sekretionssystem Bakterielle Effektoren werden über das Typ III-Sekretionssystem in die Wirtszelle eingebracht. Unter anderem ist ihre Funktion, die pflanzliche Abwehr zu unterdrücken. Box

26 Bakterielle Effektoren Strasburger, Lehrbuch der Botanik,

27 Pflanzenpathogene und pflanzliche Abwehr Krankheit ist die seltene Ausnahme trotz der ständigen Präsenz potentieller Pathogene. Pflanzen besitzen ein effektives Immunsystem......sowie präformierte Mechanismen zur Abwehr. 27 Buchanan, Gruissem, Jones, Biochemistry & Molecular Biology of Plants

28 Präformierte Abwehrmechanismen Cuticula Zellwände Toxische Substanzen Beispiele: Saponine Glucosinolate 28

29 Induzierte Abwehr: Das pflanzliche Immunsystem Die allermeisten Interaktionen sind inkompatibel, d.h. es kommt nicht zur Etablierung des Pathogens. Die Frage ist, warum z.b. ein Pathogen wie Phytophthora infestans, das Kartoffelpflanzen sehr effektiv befallen kann, auf anderen Pflanzen keinen Schaden anrichtet Bayer Crop Science Kompatibilität tritt nur dann auf, wenn : 1. das Pathogen die präformierte Abwehr überwinden kann, und 2. das Pathogen entweder die Erkennung und die induzierte Abwehr unterdrücken oder die induzierte Abwehr überwinden kann. 29

30 Induzierte Abwehr: Das pflanzliche Immunsystem Spezifische Abwehr Allgemeine Abwehr 30 Strasburger, Lehrbuch der Botanik (2008)(8-17)

31 Induzierte Abwehr: Das pflanzliche Immunsystem Allgemeine Abwehr Auslöser sind nichtwirtsspezifische Elicitoren, d.h. allgemeine Erkennungsmerkmale potentieller Pathogene. 31 Strasburger, Lehrbuch der Botanik (2008)(8-17)

32 Induzierte Abwehr: Das pflanzliche Immunsystem Allgemeine Abwehr Auslöser sind nichtwirtsspezifische Elicitoren, d.h. allgemeine Erkennungsmerkmale potentieller Pathogene. Ausgelöst werden z.b.: - die Synthese antimikrobiell wirkender Substanzen (Phytoalexine) - die Bildung von PR-Proteinen (Pathogenesis related proteins) wie Chitinasen - Lokale Verstärkungen der Zellwand (z.b. Kallose-Bildung, Vernetzung von Zellwand- Komponenten, Lignifizierung) 32 Strasburger, Lehrbuch der Botanik (2008)(8-17)

33 Lokale Verstärkungen der Zellwand (z.b. Kallose-Bildung, Vernetzung von Zellwandkomponenten, Lignifizierung) (Kallose ist ein Glucose-Polymer (Glucan), β-1,3-verknüpft) Eine Pflanzenzelle erkennt die Anwesenheit eines potentiellen Pathogens und löst Abwehrreaktionen (wie Zellwandverstärkung, Phytoalexinproduktion etc.) aus. Das bedeutet bereits das Ende für die meisten potentiellen Pathogene. Was die Zelle erkennt sind MAMPs (Microbe-Associated Molecular Patterns). Dies sind in Mikroorganismen strukturell hoch konservierte Moleküle (meist Proteine), die wichtige Funktionen haben und im Wirt normalerweise nicht vorkommen. 33

34 Das archetypische MAMP: Flagellin Arabidopsis thaliana ist wie eine wahrscheinlich sehr große Zahl anderer Pflanzen in der Lage, die Flagellen von Bakterien zu erkennen. Ein 22 Aminosäuren langes Peptid aus Flagellin (Flg22) löst Abwehrreaktionen aus. 34

35 Bindung von flg22 durch den Rezeptor FLS2 führt u. a. zu einer Erhöhung der cytosolischen Ca 2+ - Konzentration, zu Ionenflüssen, einem oxidative burst und zur Aktivierung einer Phosphorylierungskaskade. Eine große Zahl von Genen (ca. 1000) werden auf diesem Wege aktiviert oder reprimiert. Spezialisierte Pathogene greifen in diese Signaltransduktion ein und unterdrücken durch Effektor- Proteine die Abwehrreaktionen. 35

36 Flagellin-Erkennung ist weit verbreitet 36

37 Flagellin-Erkennung trägt nachweisbar zur Resistenz bei Infektion mit Pseudomonas syringae Kontrolle Zipfel et al., Nature (2004) Allerdings verliert eine Flagellin-insensitive Mutante nicht alle Resistenz und es entsteht keine besondere Sensitivität gegenüber anderen Pathogenen. Dies ist ein Hinweis darauf, dass es ein ganzes Arsenal an MAMP-Rezeptoren in Pflanzen gibt. Wir gehen in A. thaliana von ca. 200 MAMP-Rezeptoren aus, 37 die unterschiedliche mikrobielle Strukturen erkennen.

38 Induzierte Abwehr: Das pflanzliche Immunsystem Spezifische Abwehr Allgemeine Abwehr 38 Strasburger, Lehrbuch der Botanik (2008)(8-17)

39 Erkennung führt zur Hypersensitiven Antwort, d.h. zum Programmierten Zelltod 39 Strasburger, Lehrbuch der Botanik (2008)(8-17)

40 Spezifische Abwehr: das Gen-für-Gen-Konzept Das Gen-für-Gen-Konzept wurde vor über 50 Jahren von Flor entwickelt und beschreibt rassenspezifische Interaktionen: einzelne Rassen eines Pathogens können einzelne Varietäten einer Pflanzenspezies infizieren. Diese streng spezifische Wirt-Pathogen- Beziehung beruht auf Gen-für-Gen- Interaktionen: Avirulenz (avr)-gene auf Seiten des Pathogens, Resistenz (R)-Gene auf Seiten des Wirts. Passen avr-gen und R-Gen zusammen, ist die Interaktion inkompatibel, weil eine Erkennung des Pathogens durch die Pflanze erfolgt. In den anderen Fällen ist sie kompatibel. Avr-Genprodukte sind Elicitoren (auslösende Moleküle), die zur Erkennung des Pathogens durch den Wirt mit Hilfe des passenden R-Gens führen. Heute wissen wir, dass diese Avr-Genprodukte tatsächlich Virulenzfaktoren sind. Strasburger, Lehrbuch der Botanik (2008)(8-14) 40

41 Induzierte Abwehr: Das pflanzliche Immunsystem Spezifische Abwehr Allgemeine Abwehr 41 Strasburger, Lehrbuch der Botanik (2008)(8-17)

42 Parasitische Pflanzen Parasitische Pflanzen sind zumeist Angiospermen. Man unterscheidet: Hemiparasiten: betreiben noch Photosynthese, Wasser und Nährstoffe werden mittels Haustorien aus dem Xylem des Wirtes entnommen (Bsp.: Misteln) Holoparasiten: diese stellen einen Anschluss auch an das Phloem der Wirte her und betreiben selbst keine (kaum) Photosynthese mehr (Bspe.: Striga, Orobanche, Cuscuta (=Teufelszwirn)) 42

43 Parasitische Pflanzen Mistel (Viscum album) Weiler/Nover, Allgemeine und Molekulare Botanik (20.2, 20.3) Striga an einer Maiswurzel 43

44 Etwa 60 % der Getreideanbaufläche in Afrika ist Striga-verseucht. Ein Lösungsansatz: Imidazolinon-resistenter (IR) Mais StrigAway (CIMMYT, AATF und BASF) 44

45 Imidazolinon-resistenter (IR) Mais Herbizide dieser Substanzklasse hemmen die Acetolactat-Synthase und damit die Biosynthese der Aminosäuren Valin, Leucin und Isoleucin. Der entsprechende Biosyntheseweg existiert nur in Pflanzen und Mikroorganismen, ist deshalb ein guter Angriffspunkt für Herbizide. Maiskörner werden mit dem Herbizid behandelt und dann ausgebracht. Imidazolinon-resistenter (IR) Mais wurde durch das Screening nach chemischer Mutagenese selektiert und basiert auf Veränderungen am Enzym, die die Sensitivität beeinflussen, nicht jedoch die Aktivität. 45 Heldt & Piechulla, Pflanzenbiochemie (10.17)