Forschungsbericht 2024 - Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie
Immun gegen Viren
Pflanzen können – wie fast alle Lebensformen auf unserem Planeten – Viren zum Opfer fallen. In der Landwirtschaft gibt es viele gefährliche Viruserkrankungen, die zu hohen Ertragseinbußen führen. Kartoffeln beispielsweise werden von vielen verschiedenen Viren befallen, und im Zuckerrübenanbau ist das sogenannte Rizomania-Virus besonders gefürchtet. Ein schon seit über 100 Jahren bekanntes Pflanzenvirus ist das Tabak-Mosaik-Virus. Es befällt unter anderem Tabak-, Tomaten- und Paprika-Pflanzen.
Pflanzenviren unterscheiden sich nicht von den Viren, die Bakterien, Tiere und Menschen befallen. Sie bestehen – je nach Virusart – aus einer Nukleinsäure (RNA oder DNA), die in eine Kapsel aus Proteinen verpackt ist. Sie dringen in die Zellen ihrer Wirte ein und übernehmen das Kommando über den Stoffwechsel. Die Wirtszelle ist den Angreifern allerdings nicht hilflos ausgeliefert. Mit meinem Team möchte ich herausfinden, wie Pflanzen Viren in ihre Schranken verweisen.
Die Zellkerne sind in Grau dargestellt. Das Virus (Gelb) breitet sich in der gesamten Pflanze aus, infiziert jedoch nicht die Stammzellen an der Spitze des Meristems.
Um sich zu verbreiten, müssen Viruspartikel auf neue Wirte übertragen werden. Die Übertragung kann horizontal erfolgen, wenn ein Virus von einer Pflanze auf eine Nachbarpflanze „überspringt“ und sie „ansteckt“. Überträger können beispielsweise Blattläuse oder Pilze sein.
Bei einer vertikalen Übertragung hingegen bringt eine infizierte Elternpflanze infizierte Nachkommen hervor. Dazu muss das Virus die Infektion erfolgreich während des sexuellen Fortpflanzungszyklus aufrechterhalten und so die Barriere zwischen den Generationen überwinden. Diese Art der Übertragung wird auch als Samenübertragung bezeichnet. Sie kann zu einer lokalen Ausbreitung durch infizierten Pollen oder Samen oder gar zu einer weltweiten Ausbreitung durch den Handel mit infiziertem Saatgut führen.
Barriere gegen Übertragung
Glücklicherweise gelingt es Pflanzen sehr gut, die vertikale Übertragung von Viren zu stoppen. Tatsächlich werden Viruserkrankungen selbst von schwer erkrankten Mutterpflanzen nur selten auf ihre Nachkommen übertragen. Das bedeutet, dass es sehr wirksame Barrieren geben muss, die eine Virusinfektion stoppen und die Keimzellen schützen, aus denen die nächste Generation hervorgeht.
Über die Funktionsweise dieser Barrieren wissen wir jedoch fast nichts. Erkenntnisse über die molekularen Mechanismen, die eine vertikale Übertragung verhindern, sind aber nicht nur wichtig, um die Übertragung zwischen Pflanzen zu begrenzen. Sie könnten auch zur Bekämpfung von Viruspandemien bei Mensch und Tier beitragen.
Mein Team und ich wollen deshalb herausfinden, wo und wann die vertikale Übertragung von Viren in Pflanzen reguliert wird. Wir untersuchen, wie Pflanzen die Übertragung von Viren unterbinden, aber auch, unter welchen Bedingungen sie dennoch stattfindet.
Keine Vermehrung in Stammzellen
Die wachsende Sprossspitze einer Pflanze enthält wichtige Organe, die Meristeme genannt werden. Darin befinden sich Stammzellen, die sich in jede Art von Zelle entwickeln können und aus denen die gesamte Pflanze hervorgehen kann – also auch die Blüten und die darin enthaltenen Keimzellen. Bei der Befruchtung vereinigen sich Pollen- und Eizelle und bilden im Samen einen Embryo. An jedem Punkt dieses Vorgangs könnte die vertikale Übertragung gestoppt oder zumindest eingeschränkt werden.
infizieren.
Die Ergebnisse meiner und anderer Forschungsgruppen zeigen, dass die Meristeme die Vermehrung von Viren in ihren Stammzellen während einer Infektion der restlichen Pflanze direkt verhindern können. Die Viren befallen zwar die Stammzellen, aber ein Abwehrmechanismus verhindert, dass neue Viruspartikel gebildet werden. Diesen Abwehrmechanismus können die Viren in allen anderen pflanzlichen Geweben meist überwinden – nicht aber in den Stammzellen.
Dahinter steckt ein Immunmechanismus, der auf einem Vorgang beruht, der als RNA-Interferenz bezeichnet wird. Eine sogenannte Polymerase bildet RNA-Moleküle, an die für die Bildung viraler Proteine notwendige RNA-Moleküle binden können. Mithilfe dieser RNA-Moleküle werden die Stammzellen „vorgewarnt“ und können sich so gegen die Erreger schützen. Wie dies genau vonstattengeht, wollen wir als Nächstes herausfinden.
Neue Versuchssysteme
Wir haben Versuchssysteme für bestimmte Virus-Pflanzen-Kombinationen entwickelt, mit denen wir untersuchen können, wie, wo und wann RNA-basierte Immunität eine vertikale Übertragung verhindert. Vertikal leicht übertragbare Viren sollen uns verraten, was diese Art der Infektion bestimmt.
Außerdem entwickeln wir Methoden, mit denen wir herausfinden können, welche Gene während der Infektion in den Stamm- und Keimzellen sowie den Embryonen ein- oder ausgeschaltet werden.
