Bioengineering von Pflanzen mit einem tierähnlichen Immunsystem

Problem: Pflanzen haben dieses adaptive Immunsystem nicht

Obwohl sie über ein allgemeineres Immunsystem, das sogenannte angeborene Immunsystem, verfügen, ist dieses bei weitem nicht so präzise oder kraftvoll wie das adaptive Immunsystem. Obwohl dieses angeborene Immunsystem den Test der Zeit bestanden hat, sind Pflanzen, einschließlich wichtiger Nahrungspflanzen, anfällig für neue Erregerstämme.

Forschungsfrage: Was wäre, wenn es möglich wäre, Pflanzen so zu verändern, dass sie ein adaptives Immunsystem haben?

Die Wissenschaftler in dieser Studie haben genau das gemacht und ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Science veröffentlicht. Ihre Methode könnte einen Weg hin zum lang ersehnten Ziel bieten, anfällige Nutzpflanzenarten schnell und präzise zu modifizieren, um ihnen eine Resistenz gegen aufkommende Erreger und Schädlinge zu verleihen.

Das Immunsystem von Pflanzen kann in Zellwand- und intrazelluläre Immunität unterteilt werden. Durch die Beschichtung der Oberfläche pflanzlicher Zellen überwachen Immunrezeptoren die Anwesenheit von alten molekularen Mustern (PAMP), die nicht spezifische Marker für mikrobielle Bedrohungen sind. Die Immunrezeptoren wirken wie Überwachungskameras, die einen Alarm auslösen, wenn sie etwas Verdächtiges erkennen, zum Beispiel eine Person mit Maske (in diesem Fall das molekulare Muster in der Analogie), die versucht, in das Haus einzudringen. Die Kamera ist jedoch nicht präzise genug, um festzustellen, wer es ist.

Um zu verhindern, dass diese Oberflächenrezeptoren ausgelöst werden und eine Abwehrreaktion starten, haben Krankheitserreger Mechanismen entwickelt, um Immunabwehr der Pflanzen zu sabotieren. Sie setzen eine Vielzahl von so genannten Effektoren frei, die in Pflanzenzellen injiziert werden und die zellulären Funktionen stören. Als Reaktion darauf haben Pflanzen Ihre eigene Strategie entwickelt, um Effektoren abzuwehren. Sie verwenden eine Reihe von intrazellulären Immunrezeptoren namens NLRs (nucleotide-binding, leucine-rich repeat immune receptors), die Pathogeneffektoren erkennen und neutralisieren können.

Über Millionen von Jahren hinweg haben Pflanzen und Krankheitserreger einen unaufhörlichen evolutionären Tanz vollführt. Pflanzen entwickeln NLRs, die Pathogeneffektoren erkennen und entschärfen können, während Pathogene sich so entwickeln, dass sie von den NLRs der Pflanze nicht erkannt werden.

Problemstellung

Wenn dieser evolutionäre Tanz jedoch eine wichtige Nahrungspflanze betrifft, kann er eine ernsthafte Bedrohung für Millionen von Menschen darstellen. Ein einziges pilzliches Pathogen, Magnaporthe oryzae, ist zum Beispiel für 30% des weltweiten Reisverlustes verantwortlich, wodurch Nahrungsmittel zerstört werden, die 60 Millionen Menschen hätten ernähren können. Aus diesem Grund möchten Wissenschaftler wie Kourelis Möglichkeiten finden, den Pflanzen zu helfen.

Methoden

Die Wissenschaftler haben in dieser Studie Pik-1, ein von einer Reispflanze produziertes NLR-Protein, modifiziert. Sie ersetzten den Teil des Pik-1-Proteins, der verdächtige pathogene Moleküle erkennt, durch ein Antikörperfragment, das an fluoreszierende Proteine bindet. Anschließend wurden die bioengineerten und nicht veränderten Pflanzen einem Erreger (Kartoffelvirus X) ausgesetzt, der selbst genetisch verändert wurde, um fluoreszierende Proteine zu exprimieren. Die bioengineerten Pflanzen zeigten signifikant weniger Fluoreszenz, was darauf hindeutet, dass die von den Pflanzen produzierten NLR-Antikörper-Hybridmoleküle das Virus erfolgreich daran gehindert haben, sich zu vermehren.

Ergebnisse

Die Autoren schlagen vor, dass diese Technologie "auf Bestellung hergestellte Resistenzgene" bereitstellen könnte, um Pflanzen vor Krankheitserregern und Schädlingen zu schützen. Das wäre eine willkommene Entwicklung für die Landwirte der Welt und die Menschen, die sie ernähren.


Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Wissenschaftler in dieser Studie erfolgreich Pflanzen so bioeingeniert haben, dass sie ein tierähnliches Immunsystem besitzen. Diese Entwicklung könnte dazu beitragen, Nutzpflanzen gegen neue Erregerstämme und Schädlinge zu schützen und somit die globale Nahrungsmittelversorgung sicherzustellen. Weitere Forschung ist erforderlich, um diese Methode zu verfeinern und ihre Auswirkungen auf Ökosysteme und andere Aspekte der Landwirtschaft zu untersuchen.