Wie Bodenbakterien Pflanzen gegen Krankheiten schützen

Neutronen am Magnetischen Reflektometer für große Einfallswinkel (MARIA) des MLZ haben dabei geholfen, einen Mechanismus aufzuklären, mit dem Pflanzen ihre Immunabwehr aktivieren. Mit Hilfe der Ergebnisse können biobasierte Pflanzenschutzmittel entwickelt werden.

Plants_MARIA Bodenbakterien können Pflanzen über das Molekül Surfactin schützen, das mit der Zellmembran interagiert und deren Struktur verändert. © Pixabay, PublicDomainImages

Bodenbakterien können Pflanzen über das Molekül Surfactin schützen, das mit der Zellmembran interagiert und deren Struktur verändert. © Pixabay, PublicDomainImages

Pflanzen sind nicht schutzlos gegen Krankheitserreger. In ihren Wurzeln siedeln Bodenbakterien, die chemische Signale an die Pflanzen senden. Die bereiten sie darauf vor, Krankheitserregern zu widerstehen. Ein internationales Forschungskonsortium unter der Leitung der Universität Liège, Belgien, hat nun den molekularen Mechanismus hinter dieser Immunisierung aufgeklärt. Die Forschenden zeigen, dass das Molekül Surfactin, das Bakterien der Gattung Bacillus produzieren, nicht über ein zwischengeschaltetes Eiweiß und einen Schlüssel-Schloss-Mechanismus wirkt, sondern direkt mit der Pflanzenzellmembran Kontakt aufnimmt. “Pflanzen besitzen ausgeklügelte Abwehrmechanismen gegen Krankheiten”, erklärt Dr. Marc Ongena, Forschungsdirektor des belgischen Fonds für wissenschaftliche Forschung (FNRS) an der Universität Liège. “Wir wussten bereits, dass bestimmte Wurzel-Bakterien Moleküle produzieren, die Pflanzenabwehrmechanismen stimulieren. Aber wie diese Moleküle von Pflanzenzellen erkannt wurden, war bisher wenig verstanden.”

Von der Wurzel bis zum Blatt

Die Forscher konzentrierten sich auf Surfactin und dessen Wechselwirkung mit Arabidopsis thaliana, einer in der Pflanzenbiologie häufig verwendeten Modellpflanze. So konnten sie nachweisen, dass Surfactin an ein Molekül bindet, das in der Zellmembran der Wurzeln vorkommt. „Diese Wechselwirkung führt zu einer leichten Umstrukturierung der Membran, wodurch deren Spannung erhöht wird, was wiederum mechanosensitive Ionenkanäle aktiviert“, erklärt Magali Deleu, leitende wissenschaftliche FRNS-Mitarbeiterin an der Universität Lüttich. Dies löst eine Signalkaskade aus, die sich von den Wurzeln bis zu den Blättern ausbreitet und die Pflanze darauf vorbereitet, Krankheitserregern besser zu widerstehen. Darunter fällt zum Beispiel der Pilz Botrytis cinerea, der die Erkrankung Grauschimmel verursacht und große Schäden an Kulturpflanzen wie Weinreben, Erdbeeren, Tomaten und Salat verursacht.

MARIA_Koutsioumpas Dr. Alexandros Koutsioumpas ist Instrumentwissenschaftler am Neutronenreflektometer MARIA, an dem die Messungen der Pflanzenmembran durchgeführt wurden. © Wenzel Schürmann, TUM

Dr. Alexandros Koutsioumpas ist Instrumentwissenschaftler am Neutronenreflektometer MARIA, an dem die Messungen der Pflanzenmembran durchgeführt wurden. © Wenzel Schürmann, TUM

Veränderte Membranstruktur

Messungen mit dem MARIA-Neutronenreflektometer, dass das Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) in Garching betreibt, gaben Hinweise auf winzigste strukturelle Veränderungen im Subnanometerbereich pflanzlicher Membranen bei der Wechselwirkung mit Surfactin-Molekülen. „Die Analyse unserer Daten deutet sowohl auf eine Verdünnung der Membran um einige Angström als auch auf eine strukturelle Umordnung der oberen Membranlage bei der Wechselwirkung mit Surfactin hin“, erläutert Dr. Alexandros Koutsioumpas vom Forschungszentrum Jülich, Instrumentwissenschaftler am MARIA. „Daten aus anderen Messverfahren ergänzen und stützen das Bild einer durch Surfactin ausgelösten Umstrukturierung und erhöhten Membranspannung, die möglicherweise mechanosensitive Kanäle aktiviert.“

Biobasierter Pflanzenschutz

Der Abwehrmechanismus unterscheidet sich von der klassischen angeborenen Immunität von Pflanzen, mit der sie fremde Moleküle in der Regel über das Schlüssel-Schloss-Prinzip erkennen. Bei dem neu entdeckten Mechanismus ist die Veränderung der Membran selbst das Auslösesignal. Diese Erkenntnis wirft ein neues Licht darauf, wie Pflanzen ihre mikrobielle Umgebung wahrnehmen und zwischen nützlichen Bakterien und echten Krankheitserregern unterscheiden.

In der Praxis ist diese Forschung Teil der Bemühungen, eine neue Generation von biobasierten Pflanzenschutzmitteln zu entwickeln, schreiben die Forschenden in ihrer Veröffentlichung in Nature Plants. Versteht man nämlich genau, wie diese Bakterien oder ihre Moleküle die pflanzliche Immunität aktivieren, lassen sich gezieltere und wirksamere Strategien zum Pflanzenschutz entwickeln, die chemische Mittel teilweise ersetzen können. Die Ergebnisse liefern somit eine Grundlage für die Entwicklung biobasierter Produkte in der nachhaltigen Landwirtschaft.

Originaltext: Universität Lüttich, 7.5.2026, modifiziert und ergänzt von Forschungszentrum Jülich und FRM II / MLZ