Resistenzproteine, die Produkte der Resistenzgene, sind entweder Transmembran-Rezeptoren oder intrazelluläre Rezeptoren, die nach Bindung des vom Pathogen stammenden Liganden Signaltransduktionskaskaden auslösen. Wichtige Strukturmerkmale der Resistenzproteine sind Nukleotid-Bindestellen (NBS), Leucin-Zipper-Motive (LZ) und Leucin-reiche DNA-Abschnitte (LRR). Alle diese Domänen existieren auch in Proteinen des angeborenen Immunsystems von Wirbeltieren (Beispiele sind hier: der IL-1 Rezeptor (IL-1R) bei Säugetieren, die Toll-Proteine (TIR [Toll/IL-1R]) bei der Fruchtfliege Drosophila und anderen Insekten; (vgl. Abb. 2). Fazit: Es gibt generelle Abwehrstrategien, die im Laufe der Evolution konserviert wurden.

Eine wichtige Klasse der Resistenzgene sind die cytoplasmatischen Proteine, die eine Region mit Toll-Proteinen enthalten. Ein Beispiel hierfür ist das gut charakterisierte N Protein aus Nicotiana tabacum. Es gehört zur TIR-NBS-LRR Klasse der pflanzlichen Resistenzgene und bietet Schutz vor dem Tabak-Mosaik-Virus (TMV); (siehe auch Abb. 1). Das N Gen kodiert für zwei Transkripte, die Hüllwandproteine dieses Virus erkennen und die nur gemeinsam eine völlige Resistenz gegen das Tabak-Mosaik-Virus vermitteln.

Auffällig ist, dass viele Resistenzgenprodukte von Pflanzen ähnliche Motive wie die Rezeptoren des angeborenen Immunsystems von Säugern aufweisen. Dies hat zahlreiche Forscher veranlasst, die molekularen Mechanismen dieser - ganz offensichtlich im Laufe der Evolution konservierten - Abwehrsysteme zu untersuchen. Ergebnis: Es gibt große Ähnlichkeit unter den für die Pathogenerkennung notwendigen Rezeptoren (R-Proteine), sowie bei der Signalweiterleitung und Aktivierung von Abwehrantworten in Pflanzen, Insekten und Wirbeltieren. Parallelen zeigen sich bei signalweiterleitenden Proteinen wie G-Proteine, Kinasen oder Transkriptionsfaktoren, aber auch beim Einsatz von Signalmolekülen wie reaktive Sauerstoffspezies oder Stickoxid.

Eine massive Akkumulation von reaktiven Sauerstoffspezies nach Pathogeninfektion wurde erstmals 1983 in Kartoffelknollen entdeckt. In den folgenden Jahren wurde diese Abwehrreaktion in einer Vielzahl von Pflanze-Pathogen-Interaktionen aber auch nach Ozon- oder Starklichtbehandlung beobachtet. Der inzwischen eingebürgerte Begriff "oxidativer Burst" wurde dabei in Analogie zum "respiratory Burst" bei der tierischen Pathogenabwehr eingeführt. Die primär in einem "oxidativen Burst" erzeugte Spezies ist zumeist das Superoxidanion-Radikal (O_2^-), das spontan oder durch Superoxiddismutase katalysiert und zur Bildung von Wasserstoffperoxid führt. Der "oxidative Burst" besitzt eine zentrale Stellung bei der pflanzlichen Pathogenabwehr: Er bewirkt direkte antimikrobielle Reaktion sowie katalytische Funktionen bei der Vernetzung von Zellwandproteinen und phenolischen Verbindungen. In den letzten Jahren wurde zudem wichtige Funktionen von reaktive Sauerstoffspezies als Signale bei der Auslösung einer ganzen Batterie von lokalen und systemischen Resistenzantworten erarbeitet.

Woher stammt nun diese massive Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies in infizierten Pflanzen? Eine Vielzahl von Enzymen wie Aminoxidasen, Oxalatoxidase, Peroxidasen und NADPH-Oxidase können Superoxid oder Wasserstoffperoxid produzieren. Mit Hilfe von Inhibitorstudien und neuerdings auch Mutantenanalysen wurde die Bedeutung von NADPH Oxidasen, homolog zu bekannten tierischen Enzymen, bei der Produktion von Reaktiven Oxygen Spezies und der damit verbundenen Signaltransduktion unter abiotischem und biotischem Streß erkannt. Die Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies erfolgt in Phagozyten von Säugern durch einen in der Zellmembran lokalisierten NADPH-Oxidase-Komplex. Dieser besteht aus der membranlokalisierten katalytischen Untereinheit gp91^phox ( einem Flavocytochrom b₅₅₈) sowie drei cytosolischen Untereinheiten. In der Zelle binden sich nach Wahrnehmung entsprechender Stimuli die cytosolischen Proteine an die katalytische Untereinheit, dabei bildet sich der aktive NADPH-Oxidase-Komplex. Pflanzliche Homologe von gp91^phox wurden in den letzten Jahren in Reis, Tomate, Kartoffel und Arabidopsis thaliana identifiziert. Am GSF-Institut für Biochemische Pflanzenpathologie konnten zudem zwei Homologe in Tabak identifiziert werden, die wahrscheinlich an der unterschiedlichen Empfindlichkeit von Pflanzen gegenüber dem Luftschadstoff Ozon beteiligt sind. Im Arabidopsis-Genom wurden bislang zehn homologe Sequenzen zu gp91^phox, gefunden, die jedoch nicht vergleichbar sind mit den cytosolischen Untereinheiten aus Säugern. Seit kurzem gibt es zudem Hinweise, dass diese katalytische Untereinheit in Pflanzen - wie auch in nichtphagozytischen Zellen von Tieren und Mensch - für sich alleine und ohne weitere cytosolische Komponenten funktionell sein kann. Damit ist eine wichtige Voraussetzung für eine gentechnische Modulation des "oxidativen Bursts" in Pflanzen erfüllt.

Stickoxid: der Schlüssel zur Pflanzenimmunität

Stickoxid (NO) spielt im tierischen und pflanzlichen Stoffwechsel eine Schlüsselrolle. Wegen der Vielzahl physiologischen Funktionen, an denen Sickoxid beteiligt ist, steht dieser Stoff für die Forschung im Zentrum des Interesses. Er ist ein inter- und intrazellulärer Mediator von zahlreichen Zellfunktionen einschließlich der angeborenen Immunität. So sind die Interaktionen von Stickoxid mit Redoxzentren von Proteinen wichtige Schlüsselreaktionen in Signaltransduktionswegen bei der Kontrolle von glatter Muskulatur, Neurotransmission, Zellproliferation, Apoptose und bei der Antwort auf Infektionen. Stickoxid kann frei diffundieren. Seine biologischen Eigenschaften sind durch seine chemische Reaktivität gegenüber Sauerstoff, reaktiven Sauerstoffspezies und Metallen festgelegt. Bei Säugetieren spielt die Freisetzung über die induzierbare Stickoxid -Synthase (iNOS) eine wichtige Rolle bei Entzündungen, Abwehrantwort und Gewebereparatur. So korreliert die Expression von induzierbarer Stickoxid -Synthase oft mit erhöhter antimikrobieller Aktivität, während Inhibitoren häufig die Anfälligkeit gegenüber Pathogenen erhöhen. Cytokinine und Endotoxine induzieren ebenfalls Stickoxid-Synthase. Zusätzlich ist das Reaktionsprodukt von Stickoxid mit Sauerstoff, das Peroxynitrit (ONOO^-), toxisch für Mikroorganismen - Stickoxid alleine hat diese Wirkung nicht.

In den letzten Jahren wurden vielerlei Hinweise dafür gefunden, dass Stickoxid ein neuartiger Effektor in der Pflanzenabwehr ist. Erste Hinweise auf eine säugetierähnliche Stickoxid-Synthase (NOS) in Pflanzen wurden 1996 publiziert. In jüngerer Zeit wurde am GSF-Institut für Biochemische Pflanzenpathologie und an anderen Forschungseinrichtungen gezeigt, dass Stickoxid und möglicherweise auch Stickoxid-Synthase eine wichtige Rolle in der Pflanzenabwehr gegen mikrobielle Schädlinge spielen. Stickoxid kann zahlreiche Abwehrgene induzieren und spielt auch eine Rolle bei der direkten Bekämpfung von Pathogenen. Die Signalkette ist abhängig von der direkten Wirkung von Stickoxid und von Botenstoffen wie zyklischem GMP (cGMP) und zyklischer ADP Ribose (cADPR). Verschiedene neuere Publikationen bestätigten die Beteiligung von Stickoxid und Peroxynitrit an der pflanzlichen Apoptose, Genregulation und Abwehrantwort gegen Pathogene. Außer den Parallelen zu tierischen Systemen wurden auch einige interessante Unterschiede wie die Beteiligung von cGMP an der pflanzlichen Apoptose festgestellt (vgl. Abb. 3).

Verschiedene Schlüsselkomponenten der angeborenen Immunität von Säugern spielen auch im Abwehrsystem von Pflanzen eine wichtige Rolle. So helfen Elemente des tierischen Abwehrsystems - beispielsweise Defensine und Stickoxid - auch Pflanzen bei der Verteidigung gegen Schädlinge. Die Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet werden einen wichtigen Beitrag zu unserem Verständnis der Grundprinzipien der angeborenen Immunabwehr von Tieren und Pflanzen leisten. Gleichzeitig liefern sie die Grundlagen für die gentechnische Aktivierung der natürlichen Abwehrsysteme von Pflanzen.

Derzeit werden große Anstrengungen unternommen, die Anwendung von belastenden Pflanzenschutzmitteln in der Landwirtschaft zu reduzieren. Die natürliche Resistenz vieler Pflanzen gegen Pathogene lässt sich einsetzen, um die Produktion von Nahrungsmitteln umweltverträglicher zu machen. Ein erster erfolgreicher Schritt, die pflanzliche Gesundheit und Abwehrbereitschaft gegen Pathogene zu stärken, ist die Induktion systemischer Resistenz durch neuartige Pflanzenschutzmittel. Synthetische Pflanzenaktivatoren oder die so genannten "Biocontrol agents" bestehend aus Bakterien und Pilzen, wirken nicht auf die Pathogene, sondern regen die pflanzliche Resistenz an. Die Erforschung des pflanzlichen Immunsystems wird biotechnologisch von großem Nutzen sein. In einer späteren Phase könnte anstelle chemischer Immunstimulantien oder der Expression von Fremdgenen eine "sanfte" Gentechnologie treten. Das Ziel ist dabei, durch ein Feintuning der an der Immunantwort beteiligten pflanzeneigenen Gene die Abwehrbereitschaft unserer Nutzpflanzen zu erhöhen.

Uta von Rad, Christian Langebartels, Jörg Durner


Literatur
Durner, J., Gow, A. J., Stamler, J. S., and Glazebrook, J. (1999). Ancient origins of nitric oxide signaling in biological systems, Proc Natl Acad Sci USA 96, 14206-14207.

Sandermann, H. (2000). Active oxygen species as mediators of plant immunity: Three case studies., Biol Chem 381, 649-653.

Foissner, I., Wendehenne, D., Langebartels, C., and Durner, J. (2000). In vivo imaging of an elicitor-induced nitric oxide burst in tobacco, Plant J 23, 817-824.

Wendehenne, D., Pugin, A., Klessig, D. F., and Durner, J. (2001). Nitric oxide: comparative synthesis and signaling in animal and plant cells, Trends Plant Sci 6, 177-83.

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