Der koordinierten Pflanzenabwehr auf der Spur

Die chemischen Inhaltsstoffe von Raupenspeichel signalisieren den Pflanzen Schädlingsbefall. Bereits 1 h nach der Induktion von Pflanzen mit Raupenspeichel konnten die Forscher eine um den Faktor 10 erhöhte Aktivität von einem der 3 gefundenen Gene, die für RNA-Polymerasen kodieren, feststellen.

Gentechnisch veränderte Pflanzen, in denen die Aktivität dieses RdR1-Gens abgeschaltet war, waren gegen Insektenbefall nahezu wehrlos. Im Freiland wurden diese Pflanzen besonders stark befallen von ihren beiden natürlichen Fraßfeinden, dem Amerikanischen Tabakschwärmer Manduca sexta und der Blattwanze Tupiocoris notatus. "Das bedeutet, dass RdR1 entscheidend zur Abwehr in Pflanzen nach Insektenbefall beiträgt", so der Forscher Ian Baldwin. Und wenn das Enzym in Aktion tritt, heißt das, dass auch smRNAs in die Regulation der Pflanzenabwehr eingebunden sein müssen.

Nächstes Ziel der Forscher war daher, diese kleinen RNA-Moleküle in befallenen bzw. nicht befallenen Tabakpflanzen aufzufinden, ihre Sequenz zu bestimmen und nachzusehen, wie sie in die Abwehr der Pflanzen gegen Insektenfraß eingreifen. Dazu sequenzierten die Wissenschaftler mehr als 100.000 verschiedene smRNAs, die sie zuvor aus befallenen und nicht-befallenen Pflanzen isoliert hatten. Das Ergebnis: 43 % der smRNAs, die sie in attackierten Pflanzen fanden, waren in den gesunden Pflanzen nicht vorhanden. Lediglich 1.224 smRNAs tauchten in beiden Pflanzengruppen auf, allerdings in unterschiedlichen Mengen.

"Das Auftreten der vielen neuartigen smRNAs nach Raupenbefall korreliert direkt mit dem rund zehnfachen Anstieg der Expression des RdR1-Gens in attackierten Pflanzen", erklärt Pandey. Das heißt, dass die RdR1-Polymerase offenbar an der Erzeugung dieser smRNAs beteiligt ist.

Und was genau machen nun diese kleinen Helfer im Genom? Eine bioinformatische Analyse der gefundenen smRNA-Sequenzen zeigte, dass ein Teil von ihnen direkt jene Gene beeinflusst, welche die Enzyme des Pflanzenhormonstoffwechsels steuern. Eine besondere Rolle spielt hier das Jasmonat. Dieser Signalstoff reguliert die Abwehr von Pflanzen gegen Insektenfraß. In transgenen Pflanzen, in denen das RdR1-Gen abgeschaltet war, waren eine Reihe von Jasmonatstoffwechsel-Genen herunterreguliert - mit dem Ergebnis, dass diese Pflanzen vergleichsweise stark von Fraßschädlingen befallen wurden.

Die Tatsache, dass bei Fehlen der kleinen RNA-Moleküle bestimmte Gene in ihrer Aktivität herunterreguliert werden, lässt die Max-Planck-Forscher vermuten, dass durch RNA-Interferenz Signalwege nicht nur abgeschaltet, sondern auch eingeschaltet werden können - ein eher ungewöhnlicher Effekt, der jedoch auch schon von Humanbiologen für den Menschen beschrieben wurde.

Doch auch alternative Mechanismen seien denkbar. Deshalb wollen die Forscher noch einen weiteren potenziellen Effekt der kleinen RNA-Moleküle, die Tabak nach Insektenbefall bildet, näher untersuchen: Raupen können nämlich Vorläufermoleküle für smRNAs, die doppelsträngige RNA, mit ihrer Blattnahrung aufnehmen. Diese Moleküle, zu smRNAs zerlegt, schalten dann durch RNA-Interferenz spezielle Insekten-Gene ab, gegen die sie gerichtet sind. "Wir vermuten deshalb, dass smRNAs direkt den Raupenfraß bekämpfen, indem sie Verdauungs- oder Entgiftungsgene im Tier stilllegen", so Baldwin. Eine ganz schön trickreiche Angelegenheit. (PD)


Literatur
Shree P. Pandey, Priyanka Shahi, Klaus Gase, Ian T. Baldwin: Herbivory-induced changes in the small-RNA transcriptome and phytohormone signaling in Nicotiana attenuata. Proceedings of the National Academy of Sciences USA, Early Edition. 13. März 2008.

Shree P. Pandey, Ian T. Baldwin: RNA-directed RNA polymerase1 (RdR1) mediates the resistance of Nicotiana attenuata to herbivore attack in nature. The Plant Journal 50, 40-53 (2007)