Endbericht

Biotischer Stress in Form von Mikroorganismen ist für Pflanzen allgegenwärtig, jedoch verfügen nur wenige Pathogene über das notwendige biochemische Arsenal um in eine Wirtspflanze einzudringen. Die Brennfleckenkrankheit (Ascochyta blight) wurde ursprünglich als erbsenspezifisch betrachtet, ist nun aber als Breitbanderreger von Leguminosen bekannt. Dennoch ist Erbse der Hauptwirt und jährlich werden weltweit erhebliche Ernteinbuβen auf diese Krankheit zurückgeführt. Der Haupterreger in diesem Krankheitskomplex, der aus mehreren Pilzspezies besteht, ist Didymella pinodes. Der biochemische Abwehrmechanismus der Pflanze der über eine Vielzahl an Stoffwechselwegen passiert, ist nur teilweise bekannt. Genauso umfangreich wie der Einfluβ eines Krankheitserregers gestaltet sich auch die Auswirkung von nützlichen Mikroben auf den Stoffwechsel einer Pflanze. Im Fall von Leguminosen ist es die essentielle Beziehung mit Rhizobien Bakterien, aber auch mit den weitverbreiteten Mycorrhiza Pilzen, die den Stoffwechsel der Pflanze beeinfluβt.
In dieser umfangreichen Studie wurden gezielte Untersuchungen zu möglichen Erreger-Wirts-Mikroben Interaktionen durchgeführt. Dabei wurden das pathogen-empfindliche Erbsenkultivar Messire und das resistentere Kultivar Protecta miteinander verglichen. Die gesamte Pflanze wurde phänotypisch und in Bezug auf die verschiedenen Behandlungen untersucht (z.B. Frisch- und Trockengewicht, Menge der Samen und Wurzelknöllchen, Mikrosymbiontenmenge, Grad des Pathogenbefalls, etc..). Blätter und Samen wurden zudem Proteomisch und Metabolomisch untersucht und die Ergebnisse in mehreren Publikationen veröffentlich.

Erkenntnisse zusammengefaβt:

1. Unterirdische Symbionten wirken sich auf die oberirdische Physiologie und den Metabolismus der Wirtspflanze (Blätter und Samen) aus
Wir konnten zeigen, daβ sowohl Mykorrhiza als auch Rhizobien Änderungen im RNA Metabolismus und in der Proteinsynthese herbeiführen. Mykorrhiza alleine beeinflußte Stoffwechselfunktionen die mit dem Umgang von Metallen beschäftigt sind und mit der Unschädlichmachung von reaktiven Sauerstoffspezies. Bei einer co-Inokulation konnten wir einen antagonistischen Effekt der Microsymbionten feststellen, der zu einer Verminderung der Kolonisierung beider Symbionten sowie einem verringertem Wachstum der Pflanze führte.
Insgesamt war also auch der Mikrosymbionen-Einfluss bei dem empfindlicheren Kultivar Messire stärker ausgeprägt, als bei dem toleranten Kultivar Protecta.
2. Der Pathogenbefall wirkt sich negativ auf die symbiotische Interaktion der unterirdischen Mikroben (Rhizobien und/oder Mycorrhizae) mit der Pflanze aus
Der Pathogen hatte einen reduzierenden Effekt auf das Wurzelknöllchen-Trockengewicht. Am stärksten war die Wirkung bei Kultivar Messire und der dreiteiligen Symbiose (Erbse mit beiden Microsymbionten). Die Knöllchenanzahlen gingen nur leicht zurück, allerding wurde die Rhizobiendichte der Knöllchen verringert. Eine reduzierende Wirkung hatte der Pathogenbefall der Blätter auch auf die Mycorrhiza-Wuzelkolonisation.
Das deutet darauf hin, daβ der Nährstoffaustausch zwischen Pflanze und Mikroben, und damit die symbiotische Interaktion, durch den Pathogen verringert wird.
3. Die Aufklärung von wirtsvermittelten Effekten der unterirdischen Symbionten auf den Wirkungsgrad des oberirdischen D.pinodes bei P.sativum: Rhizobium-Symbiose schützt die Pflanze durch verringerten Pathogenbefall und die damit verbundene Ertragsminderung
Die allgemeine Pflanzenabwehrreaktion gegen D. Pinodes war geprägt von der Beseitigung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) und Aktivierung des sekundären Stoffwechsels in den Blättern und Samen. Bei Pathogeninfektion zeigte die Leguminosen innewohnende Interaktion mit Rhizobien interessanterweise eine verstärkte Aktivierung des Citrat Zyklus, des Aminosäurestoffwechsels und des Sekundärstoffwechsels, was die Synthese von Pisatin, einem Pflanzenabwehrstoff im Blatt, inkludiert. Auch in den Samen konnten wir eine Erhöhung von Abwehrmechanismen finden, wie die Akkumulation von sogenannten „Late embyogenesis Abundant“ (LEA) proteinen, was bisher nur bei Trockenstress bekannt war, sowie die Anreicherung eines Triterpens, dem Soyasapogenol. In beiden Fällen (Blätter und Samen) handelt es sich vermutlich um eine induzierte systemische Resistenzreaktion, was eine durch Rhizobien-Symbiose beschleunigte Synthese von Abwehrstoffen bewirken würde. Jedenfalls zeigten die Rhizobien behandelten Erbsen den geringsten Pathogenbefall an Blättern und Samen in beiden Kultivaren.
Die effizientere Abwehrreaktion des toleranten Kultivar zeichnete sich zudem durch Aufrechterhaltung der Photosynthese, sowie der Versorgung mit Zuckern und Kohlenstoffgerüsten aus, welche den Sekundärmetabolismus speisen. Schwefel-Stoffwechsel, die Funktionsfähigkeit des Glutathion-Ascorbat Zyklus sowie Feineinstellung der Hormonsynthese um den induzierten Zelltod zu verhindern, scheinen die Resistenz zu fördern.
Zusammenfassend konnten wir im Kultivarvergleich eine Vermeidungsstrategie mit geringerem Erfolg für das wenig toleranten Kultivar einer Erhaltungsstrategie mit hohem Wirkungsgrad für die resistentere Kultivar gegenüberstellen.

Zusammenfassung & Schlüsselpunkte

• Mikrosymbionten haben einen starken Einfluβ auf den Metabolismus und damit auch auf die Physiologie der Wirtspflanze. Wirkungsweisen und Wirkungsgrad sind sowohl vom Symbiont, als auch von Kultivar abhängig.

• Der Pathogen hat eine hemmende Wirkung auf die symbiontische Interaktion und somit auch auf deren Effizienz.

• Rhizobien-Symbiose hemmt Befall und Wirkung des Pathogens durch eine sogenannte Induziert-Systemische Resistenz. Dabei wird die Bildung von Abwehrmechanismen der Pflanze beschleunigt bzw. erhöht. Um den Faktor „Beschleunigung“ zu verstehen, müβten noch weitere Untersuchungen durchgeführt werden.

• Die Co-Symbiose aus Rhizobien und Mychorrizae hatte einen ungünstigen Einfluβ auf das Wachstum der getesteten Pflanzen. Zudem scheinen die Mikrosymbionten einen antagonistischen Effekt gegeneinander auszuüben. Möglicherweise würden unterschiedliche Zusammensetzungen von Pflanzen-Mikroben Spezies oder auch eine andere Abfolge der Mikroben-Inokulation günstigere Resultate zeigen. Dazu müßten weitere Untersuchungen folgen.

• Alle bisher publizierten Proteinanalysen sind auch in der öffentlich zugängigen Datenbank PRIDE hinterlegt und stehen damit allen Wissenschaftlern zur freien Verfügung. Zussätzlich wurde hier auch eine Proteindatenbank (Fasta Format) hinterlegt, die wir mit spezifischen De Novo Sequenzinformationen zu den beiden Kultivaren ergänzt haben.

Diese Studie hat einen umfassenden Einblick in die verschiedenen Strategien der Pathogenverteidigungsmechanismen der Pflanze und die Rolle der Mikroorganismen zur Verbesserung der Abwehr. Daher sollten Züchtunsstrategien für Leguminosen in Zukunft mehr hin zu Rhizobium-Impfung anstatt N-Düngung gehen.