Blüten im Wandel

Manche Pflanzenkrankheiten schwächen nicht nur Blätter oder bremsen das Wachstum.

Phytoplasmen können die Entwicklung einer Pflanze so stark verändern, dass Blüten ihre typische Form verlieren und stattdessen Strukturen ausbilden, die Blättern ähneln.

Eine neue Studie im Journal of Biological Chemistry zeigt nun, wie ein bestimmtes Protein des Erregers diesen ungewöhnlichen Prozess auslösen kann.

Mithilfe von Strukturuntersuchungen an einem Synchrotron fanden Forschende heraus, dass das bakterielle Protein PHYLOY bestimmte Eigenschaften pflanzlicher Entwicklungsregulatoren nachahmen kann. Dadurch stört es die molekularen Signale, die normalerweise festlegen, wie sich eine Blüte entwickelt.

Wenn eine Blüte ihre Identität verliert

Phytoplasmen sind Bakterien, die durch Insekten von einer Pflanze auf eine andere übertragen werden. Sie können unterschiedliche Entwicklungsstörungen verursachen, die von Zwergwuchs bis zu tiefgreifenden Veränderungen der Pflanzenstruktur reichen.

In besonders schweren Fällen verwandeln sich die verschiedenen Blütenorgane – darunter Kelchblätter, Kronblätter, Staubblätter und Fruchtblätter – in Strukturen, die eher an Blätter erinnern. Betroffen sein können unter anderem Sonnenblumen, Sesam und Weinreben.

Die Folgen für die Landwirtschaft können erheblich sein. Phytoplasmen haben in verschiedenen Regionen der Welt bereits zu beträchtlichen Ernteverlusten geführt. Ausbrüche der tödlichen Gelbfärbung bei Kokospalmen wurden beispielsweise in Afrika mit Verlusten von bis zu 40 Prozent in Tansania und 20 Prozent in Ghana in Verbindung gebracht.

Forschende beobachten außerdem mit Sorge, dass sich das Problem weiter ausbreiten könnte. Wenn sich die Insekten, die Phytoplasmen übertragen, aufgrund veränderter Klimabedingungen in nördlichere Gebiete ausbreiten, könnten dort neue Pflanzenbestände betroffen sein.

Das Protein hinter der Veränderung

Im Mittelpunkt der Untersuchung stand das Phytoplasmen-Protein PHYLOY. Es handelt sich um ein Phyllogen-Protein von Candidatus Phytoplasma asteris, Stamm Onion Yellows.

PHYLOY greift eine Gruppe pflanzlicher Proteine an, die als MADS-Box-Transkriptionsfaktoren oder MTFs bezeichnet werden. Diese Proteine spielen eine zentrale Rolle bei der Entwicklung von Blüten. Sie verbinden sich normalerweise zu Gruppen aus vier Proteinen, binden an die DNA und aktivieren Gene, die bestimmen, welche Blütenorgane entstehen.

Funktioniert dieses System ungestört, erhält die Pflanze klare molekulare Anweisungen für die Entwicklung ihrer Blüte. PHYLOY kann diesen Ablauf jedoch stören. Das Protein bindet an die Transkriptionsfaktoren und verhindert dadurch, dass sie sich richtig zusammenlagern und ihre normale Funktion ausüben.

Synchrotron macht den Mechanismus sichtbar

Um die molekulare Wechselwirkung genauer zu untersuchen, nutzte das Forschungsteam die Kleinwinkel-Röntgenstreuung, kurz SAXS. Die Experimente fanden am Europäischen Synchrotron in Grenoble in Frankreich statt, an der Beamline BM29.

Dabei untersuchten die Wissenschaftler, wie PHYLOY mit drei wichtigen MADS-Box-Transkriptionsfaktoren interagiert. Die Ergebnisse zeigten, dass das bakterielle Protein mit einer größeren Bandbreite von Kombinationen der Transkriptionsfaktoren wechselwirken kann als bisher angenommen.

Der an der Studie beteiligte Wissenschaftler Mark Tully erklärte, dass die Messungen eine bemerkenswerte Flexibilität des Proteins offenbarten.

Nach Einschätzung des Forschungsteams könnte diese Beweglichkeit PHYLOY ermöglichen, sich an verschiedene Proteine der Wirtspflanze anzupassen und mit ihnen zu interagieren, anstatt nur ein einziges molekulares Ziel zu erkennen.

Ein raffinierter molekularer Trick

Im nächsten Schritt veränderten die Forschenden einzelne Bestandteile der beteiligten Proteine mithilfe gezielter Mutationen.

Durch diese Veränderungen konnten sie bestimmte Wechselwirkungen zwischen PHYLOY und den pflanzlichen Transkriptionsfaktoren verhindern oder ermöglichen. Die Ergebnisse zeigten, dass das bakterielle Protein strukturelle Merkmale erkennt, die mehrere unterschiedliche MADS-Box-Transkriptionsfaktoren gemeinsam haben.

PHYLOY wirkt damit wie ein molekularer Imitator. Es ahmt bestimmte Eigenschaften der pflanzeneigenen Regulatoren so weit nach, dass es in das Kontrollsystem der Blütenentwicklung eingreifen kann.

Wenn die normalen Transkriptionsfaktoren nicht mehr korrekt zusammenarbeiten, wird das genetische Programm für die Bildung von Kronblättern, Staubblättern und anderen Blütenstrukturen gestört. Die betroffenen Organe entwickeln daraufhin Merkmale, die eher denen von Blättern entsprechen.

Warum die Entdeckung wichtig ist

Studienleiterin Chloe Zubieta erklärte, dass ein besseres Verständnis darüber, wie Phytoplasmen die Entwicklungsmechanismen von Pflanzen manipulieren, langfristig dabei helfen könnte, ihren Einfluss auf die Landwirtschaft zu begrenzen.

Die aktuelle Arbeit konzentriert sich allerdings zunächst auf die grundlegenden molekularen Vorgänge und stellt noch keine unmittelbare Behandlungsmethode für infizierte Pflanzen dar. Als nächsten Schritt möchte das Team eine hochauflösende Kristallstruktur des Komplexes bestimmen, den PHYLOY gemeinsam mit den MADS-Box-Proteinen bildet.

Der Wissenschaftler Max Nanao erklärte zudem, dass die Forschenden diese Strukturinformationen mit einem groß angelegten virtuellen Screening kombinieren möchten. Auf diese Weise könnten Wirkstoffe gefunden werden, die möglicherweise verhindern, dass PHYLOY mit den pflanzlichen Proteinen interagiert.

Die Ergebnisse erklären damit nicht nur ein auffälliges Krankheitsbild bei Pflanzen. Sie zeigen auch, wie ein Krankheitserreger die Struktur eigener Wirtsproteine ausnutzen kann, um die Entwicklung einer Pflanze umzuprogrammieren. Diese Erkenntnisse könnten langfristig einen Ausgangspunkt für neue Ansätze zum Schutz gefährdeter Nutzpflanzen bilden, insbesondere wenn sich Phytoplasmen in weitere Regionen ausbreiten.