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Marburg Mit eigenen Waffen gegen Schädlinge
Marburg Mit eigenen Waffen gegen Schädlinge
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17:54 05.03.2019
Professor Gert Bange (links) und sein Mitarbeiter Dr. Florian Altegoer im „Bange Lab“ auf den Lahnbergen. Quelle: Nadine Weigel
Marburg

Marburger Forscher haben jetzt in einer in der Wissenschaftszeitschrift „Nature“­ veröffentlichten Studie am Beispiel von Maispflanzen eine­ gänzlich neue Klasse von pflanzlichen Abwehrmolekülen entdeckt. Die sogenannten Kiwelline werden von Pflanzen als Abwehrreaktion gegen den Befall durch schädliche­ ­Pilze gebildet.

Kiwelline waren zwar schon vorher als eine ­Familie von Pflanzenproteinen bekannt, die in vielen Pflanzenarten vorkommen. Erforscht worden war bisher allerdings nur, dass das Kiwellin „Kiwi 1“ in der Kiwi-Frucht bei Menschen als ­Allergen wirkt.

Jetzt wurde auch erstmals eine biologische Funktion dieses Kiwellins entdeckt: Es hemmt spezifisch ein Enzym, das für die Ausbreitung des Maisbranderregers bei der Maispflanze verantwortlich ist. Zwei Jahre nach der Entdeckung wurden Ende vergangenen ­
Monats die bahnbrechenden Erkenntnisse jetzt in der weltweit führenden Wissenschaftszeitschrift „Nature“ publiziert.

Pilz bekämpft Verteidigungshormon der Pflanze

Mais ist eine der wichtigsten Kulturpflanzen weltweit. Die Pflanze dient als Nahrungsquelle, aber auch als Grundlage für Industrieprodukte bis hin zur Erzeugung von Biogas. Maiskrankheiten könnten zu großen wirtschaftlichen Schäden führen. Der Pilz Ustilago maydis löst beim Befall von Maispflanzen die Krankheit Maisbeulenbrand aus und kann in schlechten Jahren für den Ausfall von bis zu zehn Prozent der ­Maisernte sorgen. Im Verlauf der Infektion werden vom Pilz eine Vielzahl sogenannter „Effek­tormoleküle“ in die Maispflanze abgegeben, welche die Infektion unterstützen und die Immunantwort der Pflanze ­unterdrücken.

Dazu zählt auch die Chorismat Mutase 1 (Cmu1). Dieses Enzym wird vom Pilz in den Mais abgegeben, um einen zentralen Stoffwechselvorgang zu manipulieren, der auch für die Synthese bestimmter Aminosäuren notwendig ist. Ziel dieser Manipulation ist es, die pflanzliche Produktion von Salizylsäure – einem „Verteidigungshormon“ der Pflanze – zu verhindern.

Marburger entschlüsselten Genomsequenz

„Der wichtige Botenstoff Salizylsäure signalisiert in der Pflanze die Infektion durch schädliche Organismen“, erklärt Professorin Regine Kahmann vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie, die den Maisbrandpilz bereits seit den 80er-Jahren erforscht. Seit der Entschlüsselung der gesamten Genomsequenz des Erregers durch Marburger Biologen im Jahr 2006 gerieten die Gene von mehr als 200 neuartigen Molekülen in den wissenschaftlichen Fokus, die die „feindliche Übernahme“ der Maispflanzen durch den Pilz steuern. Im Jahr 2011 kamen Wissenschaftler aus Kahmanns Arbeitsgruppe auch auf die Spur des Enzyms Cmu1.

In der soeben veröffentlichten Studie fanden die Forscher um Regine Kahmann und Professor Gert Bange vom Zentrum für synthetische Mikrobiologie und dem Fachbereich Chemie der Uni Marburg nun ein Protein, das die Aktivität von Cmu1 erfolgreich hemmt: das Kiwellin 1. „Die von uns beschriebene Struktur zeigt eindrücklich, dass das Abwehrprotein die katalytische Funktion des Enzyms blockiert“, erklärt Bange.

Kiwellin könnte gegen Tuberkulose helfen

Weiterführende Untersuchungen belegen zudem, dass Kiwelline zu einer großen Klasse von pflanzlichen Abwehrproteinen gehören und wohl Teile einer universellen pflanzlichen Abwehrreaktion sind. So gibt es sowohl Kiwelline in Tomaten und Kartoffeln, die nach dem Befall durch schädliche Organismen mithelfen, eine Krankheit dieser beiden Nutzpflanzen zu verhindern. Und auch in einer Reihe von anderen Pflanzen kommen Kiwelline vor, deren genaue biologische Funktion allerdings noch untersucht werden muss.

Die Marburger Forscher hätten mit ihrer Publikation die Bühne für die Identifikation weiterer Angriffsziele der Kiwelline bereitet, urteilt Mary C. Wildermuth von der US-Universität Berkeley in einem kommentierenden Zusatzartikel in der Zeitschrift „Nature“. Mittelfristig könnte die Marburger Entdeckung eine­ biotechnologische Nutzung von Kiwellinen als biologisches Pflanzenschutzmittel und einer Alternative zu auf Chemikalien basierenden Pflanzenschutzmitteln ermöglichen.

Und auch als Antibiotikum im Einsatz gegen eine menschliche Krankheit könnte sich Kiwellin eventuell eignen: Denn das Tuberkulose verursachende Bakterium verwendet ebenfalls das Enzym Cmu1, um Moleküle herzustellen, die für die Infektion verantwortlich sind.     

Professorin Regine Kahmann

(Foto: Thorsten Richter) wurde 1948 geboren. Sie stammt aus Staßfurt. Von 1967 bis 1972 studierte sie Mikrobiologie an der Universität Göttingen. 1974 erfolgte ihre Dissertation an der FU Berlin. Ab 1986 leitete sie eine Forschergruppe am Max-Planck-Institut für molekulare Genetik (Berlin). Seit 1992 war sie Professorin für Genetik in München. Seit 2000 ist Kahmann Leiterin der Abteilung für organistische Interaktionen am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg. Seit 2001 ist sie Professorin für Genetik an der Uni Marburg. Die Leibniz-Preisträgerin erforscht die molekularen Grundlagen von Pflanzenkrankheiten.     

Professor Gert Bange

(Foto: Nadine Weigel) studierte Biochemie an der Uni Halle und der Uni Oulu (Finnland). 2007 promovierte­ der heute 41-Jährige an der Uni Heidelberg. Seit 2013 ist er Gruppenleiter am Zentrum für Synthetische ­Mikrobiologie (Marburg). Seit 2018 ist Bange Professor für Biochemie an der Uni Marburg. Sein Forschungsschwerpunkt sind Mikroorganismen auf molekularer Ebene.

Einen ergänzenden Artikel zu diesem Thema lesen Sie hier.

von Manfred Hitzeroth