Forschungsfortschritte an der Universität Münster haben neue Erkenntnisse über Kalziumsignale in Pflanzen und deren Rolle in der Immunantwort hervorgebracht. Prof. Dr. Jörg Kudla und Dr. Philipp Köster haben mittels Fluoreszenzmikroskopie das „Kinase-Tandem“ analysiert – eine zentrale Komponente in der Reaktion von Pflanzen auf Krankheitserreger. Diese Studie, veröffentlicht in der Fachzeitschrift „Science Advances“, beleuchtet, wie Pflanzen auf Schädlinge wie Bakterien und Pilze reagieren, welche in der Landwirtschaft zu erheblichen Ertragseinbußen führen können. Das Verständnis dieser Immunantwort ist entscheidend, um neue Strategien gegen solche Krankheitserreger zu entwickeln.
In der Forschung wurde festgestellt, dass Pflanzen auf Schädlingsbefall mit einer zweiphasigen Immunantwort reagieren. Zunächst erfolgt eine direkte Reaktion am befallenen Ort, gefolgt von einer systemischen Ausbreitung der Immunreaktion. Kalziumsignale spielen dabei eine essentielle Rolle und werden durch Gewebeschädigung ausgelöst. In diesem Prozess setzen Zellen reaktive Sauerstoffspezies (Sauerstoffradikale) frei, die mit den Kalziumsignalen interagieren und die Immunantwort verstärken. Das Forscherteam hat herausgefunden, dass zwei kalziumaktivierte Kinasen zusammenarbeiten müssen, um die Ausbreitung des Immunsignals zu ermöglichen.
Mechanismen der Immunantwort
Das identifizierte „Kinase-Tandem“ erhöht die Empfindlichkeit der NADPH-Oxidase gegenüber Kalziumsignalen und fördert somit die Produktion von Sauerstoffradikalen. Bei diesem Prozess aktiviert der Krankheitserreger die Kinase „BIK1“, die Sauerstoffradikale erzeugt. Diese Radikale induzieren in benachbarten Zellen neue Kalziumsignale, die wiederum das Kinase-Tandem aktivieren und das Signal in der Pflanze ausbreiten, ohne dass die Zellen direkt mit dem Krankheitserreger in Kontakt kommen. Obwohl das Kalziumsignal relativ schwach ist, reicht es aus, um die NADPH-Oxidase zu aktivieren. Diese Sensibilisierung erlaubt es, das schwache Kalziumsignal auszustrahlen, ohne andere Signalketten zu stören.
Allerdings bleibt unklar, wie Pflanzen die Stärke der Kalziumsignale regulieren. Das Forschungsprojekt kombinierte molekulargenetische, zellbiologische und biochemische Ansätze. Dabei wurden transgene Pflanzen (Arabidopsis thaliana) und menschliche Zellkulturen eingesetzt, unterstützt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Diese detaillierte Analyse bietet neue Perspektiven für die vertiefte Untersuchung von Calcium-sensitiven Signalwege in Pflanzen.
Bedeutung der Calciumabhängigen Proteinkinasen
Die Rolle der calciumabhängigen Proteinkinasen (CDPKs) ist eine weitere wesentliche Komponente im Signalübertragungsnetzwerk der Pflanzen. CDPKs sind wichtige Integratoren im Pflanzensignalnetzwerk und reagieren auf Veränderungen der intrazellulären Ca2+-Konzentration. Diese Protein-Kinasen sind Teil einer Multigenfamilie, die für Wahrscheinlichkeitsfaktoren in der Pflanzenimmunität von Bedeutung ist. Sie interagieren nicht nur bei biotischen Stressreaktionen, sondern auch bei der Entwicklung der Pflanze. Die Neuentwicklung von Methoden zur Identifizierung in vivo von CDPK-Zielstrukturen hat das Wissen über deren Funktionen auf molekularer und biochemischer Ebene erheblich erweitert.
Die CDPK-Familie, bestehend aus Ser/Thr-Proteinkinasen, zeigt eine konservierte Struktur, die für die Aktivierung der Kinasen notwendig ist. Dennoch bleibt die spezifische Rolle einzelner Isoformen in der Pflanzenimmunität weitgehend unerforscht. Künftige Studien sind erforderlich, um die vielfältigen Funktionen von CDPKs herauszuarbeiten und ihre Bedeutung in verschiedenen biologischen Prozessen zu beleuchten.
Zusammenfassend tragen die neu gewonnenen Erkenntnisse zur Erforschung der pflanzlichen Immunantwort und zur Rolle von Kalziumsignalen entscheidend zur Entwicklung neuer Ansätze im Kampf gegen Erreger in der Landwirtschaft bei. Insbesondere die Mechanismen, durch die Kalziumsignale und Kinasen wie das Kinase-Tandem in der Pflanzenimmunität interagieren, sind zentral für das Verständnis der komplexen Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und ihren Schädlingen.
Für detaillierte Informationen zu den genannten Studien und deren Ergebnissen, siehe die Veröffentlichungen unter uni-muenster.de, pmc.ncbi.nlm.nih.gov und pubmed.ncbi.nlm.nih.gov.