Bohnen haben einen Immunkomplex, der buchstäblich Luftangriffe auf Raupen ruft

Jahrzehntelang wussten Wissenschaftler, dass Pflanzen flüchtige organische Verbindungen freisetzen können – im Wesentlichen chemische Signale in der Luft – um die natürlichen Feinde derer herbeizurufen, die sie fressen, wie etwa Raupen. Was sie nicht wussten, war genau, wie eine Pflanze den physischen Akt des Gefressenwerdens in ein spezifisches, Feinde herbeirufendes Notsignal übersetzt. Nun, nach jahrelangen Experimenten mit gewöhnlichen Bohnenpflanzen im Labor und auf den landwirtschaftlichen Feldern von Oaxaca, Mexiko, hat ein Team unter der Leitung des Biologen Adam Steinbrenner von der University of Washington einen einzigen Immunkomplex identifiziert, der das Anti-Raupen-Abwehrsystem orchestriert.

Wenn ein pflanzenfressendes Insekt wie eine Raupe eine Pflanze frisst, gelangt sein Speichel direkt in das beschädigte Gewebe der Pflanze. Dieser Speichel enthält biologische Hinweise, sogenannte HAMPs: herbivore-assoziierte molekulare Muster. Eines der HAMPs-Moleküle ist ein Peptid namens Inceptin, und es gibt ein 11-Aminosäuren-Fragment von Inceptin namens In11. Beide entpuppen sich als ein Fragment der ATP-Synthase, die in Chloroplasten vorkommt – im Grunde ein Stück eines der eigenen Proteine der Pflanze. Während die Raupe das Blatt frisst, zerkleinern ihre Darmenzyme die zellulären Motoren der Pflanze und deren Teile, einschließlich In11, werden auf die Blattoberfläche zurückgewürgt, wenn auch in extrem geringen Konzentrationen.

Über Millionen von Jahren haben Pflanzen wie die gewöhnliche Bohne einen spezialisierten Zelloberflächenrezeptor entwickelt, den Inceptin-Rezeptor, um genau In11 zu erkennen. Wenn dieser Rezeptor mit In11 interagiert, löst er eine Signalkaskade in den Pflanzenzellen aus, die Immunreaktionen initiiert. Der Nachweis, dass dieser spezifische Rezeptor für die Freisetzung von Feinde herbeirufenden Signalen verantwortlich ist, war jedoch äußerst knifflig. „Wir waren begeistert, das zu tun, aber wir brauchten die perfekten Vergleichspflanzen – Pflanzen ohne den Rezeptor versus solche mit intaktem Rezeptor“, sagt Steinbrenner.

Das Problem war, dass gewöhnliche Bohnenpflanzen bekanntermaßen schwer genetisch zu modifizieren sind, daher waren die üblichen modernen Techniken wie Gen-Silencing vom Tisch. Auch eine leichter zu modifizierende Pflanze auszuwählen war keine Option, da der Rezeptor nur in bestimmten Bohnenarten vorkommt. Um dies zu umgehen, musste sein Team die benötigten Modifikationen auf altmodische Weise einführen – durch selektive Züchtung. Der erste Schritt war, eine gewöhnliche Bohnenpflanze mit einem abgeschwächten In11-Rezeptor zu finden. Sie durchforsteten eine riesige Sammlung mesoamerikanischer Bohnen auf der Suche nach Sorten, die bei Kontakt mit In11 kein Ethylengas produzierten, einen klassischen pflanzlichen Stressindikator. Von 89 getesteten Sorten fanden sie zwei, die das Peptid völlig ignorierten. Von diesen beiden wählten sie einen honduranischen Stamm namens W6 13807.

Als die Forscher das Genom dieser unempfindlichen Bohne sequenzierten, fanden sie eine natürlich vorkommende 103-Basenpaar-Deletion in dem Gen, das den Inceptin-Rezeptor kodiert. Diese Mutation löscht ein entscheidendes Stück des Rezeptors, was zu einem verkürzten, nicht funktionsfähigen Protein führt. Um die Wirkung dieses dysfunktionalen Rezeptors auf die Abwehrkräfte der Pflanze zu testen, begann das Team, die Pflanzen für ihr Experiment zu züchten. Durch eine Reihe von genetischen Kreuzungen und Rückkreuzungen zwischen der Mutante und einer Standardbohnenvariante, die auf In11 reagierte, schufen sie Geschwisterpflanzen, die genetisch nahezu identisch waren, abgesehen vom Vorhandensein oder Fehlen des funktionalen Inceptin-Rezeptors. „Wir waren einfach Züchter und das dauerte mehrere Jahre“, erinnert sich Steinbrenner.

Als diese beiden Geschwister im Labor und im Feld nebeneinander gestellt wurden, waren die Folgen eines defekten Inceptin-Alarms für die Bohnenpflanzen ziemlich gravierend. Zuerst untersuchten die Forscher direkte Abwehrmechanismen – die chemischen und physikalischen Veränderungen, die die Pflanze durchmacht, um ihre Blätter für Raupen weniger schmackhaft zu machen und so ihr Wachstum zu behindern. Als Raupen sich von den mutierten Bohnen mit inaktiven Inceptin-Rezeptoren ernährten, hatten sie ein Festmahl. Über einen fünftägigen Fresszeitraum war ihre Wachstumsrate um über 70 Prozent höher als bei Pflanzen mit funktionalem Rezeptor.