In der aktuellen Ausgabe des renommierten Wissenschaftsmagazins „Science“, die heute (25.10.07) erscheint, sind Pflanzengenetiker der MLU gleich zweimal vertreten. Prof. Dr. Ulla Bonas, Dr. Thomas Lahaye und ihre Mitarbeiter haben herausgefunden, wie ein für Tomaten- und Paprika-Pflanzen spezifischer Krankheitserreger funktioniert - und welchen Mechanismus Pflanzen nutzen, um diesen Krankheitserreger abzutöten. Ihre Erkenntnisse könnten für die Landwirtschaft von hoher Bedeutung sein. Es werden davon wahrscheinlich auch weitere Wissenschaftler profitieren, die die Erkrankungen anderer Pflanzen erforschen.

Es gilt als sehr bedeutend, einen Artikel in der Zeitschrift „Science“ zu veröffentlichen, einem der weltweit wichtigsten Wissenschaftsmagazine. In einer Ausgabe gleich zwei Artikel zu platzieren, „das ist der Knaller“, sagt Prof. Dr. Ulla Bonas stolz. Aber der Forschungserfolg der dahinter stehe, sei eben auch ein „Knaller“. Die entscheidende Rolle in den beiden Publikationen spielt ein Protein namens AvrBs3. „Das Gen, welches dieses Protein kodiert, ist vor rund 20 Jahren isoliert worden, ich habe daran in meiner Postdoc-Zeit gearbeitet“, berichtet die hallesche Forscherin. „Danach haben wir stückweise versucht, herauszubekommen, wie es funktioniert.“

Bakterien gelangen durch natürliche Öffnungen oder Wunden in die Pflanzen.
Abbildung: Simone Hahn

Bakterien, die Pflanzen befallen, injizieren einen Cocktail bakterieller Proteine über eine nadelartige Struktur in Pflanzenzellen hinein. Der wenig bekömmliche Cocktail bewirkt, dass die befallenen Pflanzen schneller altern und weniger Früchte tragen. „AvrBs3 ist ein Protein dieses Cocktails, das in Paprika- und Tomaten-Pflanzen Schäden anrichtet. Diese Cocktail-Komponente führt zu charakteristischen Pusteln auf den Blättern der Paprika-Pflanze“, erläutert Ulla Bonas. Bakterielle Krankheiterreger sind in hiesigen Klimazonen nicht von Bedeutung, denn sie sind nicht frostresistent. „Aber in Regionen mit warmen und feuchtem Klima, zum Beispiel Florida und Israel, führt der Krankheitserreger zu immensen Verlusten.“ Im Gegensatz zu Pilzen, die in hiesigen Breiten wichtige Pflanzenschädlinge darstellen, sind Bakterien jedoch ein einfacheres System für wissenschaftliche Untersuchungen.

Die typischen Pusteln auf den Blättern der kranken Paprika-Pflanze.
Abbildung: Dr. Sebastian Schornack

Ulla Bonas und ihre Kollegen am Institut für Biologie der Martin-Luther-Universität haben nun herausgefunden, wie das AvrBs3-Protein wirkt. „Es geht direkt in den Kern der Pflanzenzelle und weist als bakterielles Protein Eigenschaften auf wie ein Protein aus einem höheren Organismus. Aufgrund seiner Struktur ist das bakterielle Protein in der Lage, die Genregulation seines pflanzlichen Wirtes zu verändern. Es wirkt dabei im Zellkern, der Schaltzentrale der Pflanzenzelle, und nutzt die Maschinerie der Wirtspflanze zum eigenen Vorteil aus.“ Die Umprogrammierung bedingt, dass plötzlich Proteine in hoher Zahl produziert werden, die normalerweise nur auf niedrigem Niveau hergestellt werden. „Das ist, als wenn man die Produktion eines bestimmten Teiles in einer Fabrik hochfährt. Dieses Hochfahren haben wir nun beobachten können“, so die Hauptautorin der entsprechenden „Science“-Veröffentlichung.

Prof. Dr. Ulla Bonas im Kreise weiterer Autoren der „Science“-Publikation (v.l.: Gerd Hause, Simone Hahn, Ulla Bonas, Sabine Kay). Foto: privat

Die meisten bakteriellen Proteine, die ihren Wirt manipulieren, greifen auf der Protein-Ebene an. „Dieses bakterielle Protein dreht jedoch an Schaltern, die im Kern zu finden sind, auf der Ebene der DNA, des Erbguts. Deshalb sind die Erkenntnisse wirklich neu und so spannend“, ergänzt Dr. Thomas Lahaye (Bild unten). Er ist der Hauptautor des zweiten Artikels, in dem es um Pflanzen geht, die gegen das fragliche Protein resistent sind. „Wir konnten zeigen, dass die Pflanze dann genau denselben Mechanismus nutzt wie in der nicht resistenten Pflanze. Das bakterielle Protein schaltet ein Gen ein, das für einen lokalen Zelltod sorgt. Die Zellen, die mit dem Erreger sterben, opfern sich sozusagen. Somit wird die bakterielle Vermehrung gestoppt.“. Bei den bisher bekannten Resistenzmechanismen der Pflanze ermöglichen pflanzliche Proteine die Erkennung des Krankheitserregers. „Hier erfolgt die Erkennung des Krankheitserregers über die DNA. Das Protein, das für den Zelltod sorgt, ist zunächst nicht vorhanden, es muss erst produziert werden. Es wird produziert, und es hat eine völlig neue Struktur - das ist das bahnbrechend Neue an unseren Ergebnissen.“

Die halleschen Pflanzengenetiker betreiben Grundlagenforschung, sehen aber gute Chancen für eine Anwendung ihrer neuesten Erkenntnisse. „Damit man so etwas anwenden kann, muss man die Mechanismen verstehen“, führt Thomas Lahaye aus. Langfristig sind unsere Erkenntnisse für die Landwirtschaft von hoher Bedeutung, und es sind auch schon einige Firmen interessiert an dem, was wir machen. Zudem können viele Kollegen auf unseren Arbeiten aufbauen, zum Beispiel diejenigen, die mit Reis arbeiten.“ Es gebe viele Bakterien, die weltweit auf Reisfeldern große Schäden verursachen. Diese Bakterien enthalten Proteine, die AvrBs3 sehr ähnlich sind. „Was wir herausgefunden haben, ist nicht spezifisch für eine Pathogen-Familie. Da der Mechanismus vermutlich auf breiter Ebene Gültigkeit hat, ist er so spannend und bedeutend.“

Für ihre Forschungen haben die MLU-Wissenschaftler im Laufe der Jahre rund 4500 Paprika-Pflanzen analysiert. Zum universitären Biologicum auf dem halleschen Weinberg Campus gehört ein eigenes Gewächshaus. Genutzt haben die Forscher zudem das Gewächshaus des halleschen Biozentrums. Gefördert wurden die Arbeiten von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 648 („Molekulare Mechanismen der Informationsverarbeitung in Pflanzen“), dessen Sprecherin Prof. Dr. Ulla Bonas ist und durch einen DFG-Einzelantrag von Dr. Lahaye. An der MLU gibt es zudem das Exzellenznetzwerk „Strukturen und Mechanismen der biologischen Informationsverarbeitung“. Es war im Rahmen der Offensive „Netzwerke wissenschaftlicher Exzellenz in Sachsen-Anhalt“ etabliert worden, die das Kultusministerium ins Leben gerufen hatte.

Weitere Informationen im Internet:
http://www.sfb648.uni-halle.de(SFB 648)
http://www.sciencemag.org(Science Magazine)

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Ulla Bonas
Tel.: 0345 55 26301 oder 55 26290
E-Mail: ulla.bonas@genetik.uni-halle.de

Dr. Thomas Lahaye
Tel.: 0345 55 26345
E-Mail: thomas.lahaye@genetik.uni-halle.de