Transgenerationale antivirale Barriere in Pflanzen

Pflanzenviren sind jedes Jahr für erhebliche Ertragsverluste in der Landwirtschaft verantwortlich. Obwohl die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Viren seit mehr als 100 Jahren untersucht werden, sind zentrale Aspekte dieser Interaktion immer noch unzureichend verstanden. Dazu gehört, dass viele schädliche Viren nicht in das Meristem eindringen können, jenes Organ der Pflanze, in dem die für das Überleben, Wachstum und Fortpflanzung nötigen Stammzellen liegen. Man nimmt an, dass diese Sperre die Viren daran hindert, die Keimzellen und damit die Nachkommenschaft zu befallen. Die molekularen Mechanismen dieser Barriere sind allerdings trotz ihrer biologischen und ökonomischen Bedeutung wenig bekannt. Das Ziel dieses Projekts ist es, mit einer Reihe moderner Methoden den Ausschluss der Viren aus dem Meristem und der Nachkommenschaft ansatzweise zu verstehen und eine Basis für langfristige Untersuchungen zu legen. Wir werden die Modellpflanze Arabidopsis thaliana verwenden, um von den bestehenden Vorteilen experimenteller Möglichkeiten bei der Untersuchung komplexer biologischer Mechanismen zu profitieren. Mit fluoreszenz-markierten Viren werden wir die Bewegung der Viren und die antivirale Abwehr der Pflanzen bei einer Infektion beobachten. Wir werden diese Abwehrmechanismen speziell im Meristem und den Keimzellen beeinträchtigen und fragen, ob das den Eintritt der Viren in Fortpflanzungszellen und ihre Übertragung an die Nachkommenschaft ermöglicht. Wir werden untersuchen, welche Gene während einer Infektion an- oder abgeschaltet werden und fragen, welche Faktoren an der Antivirus-Sperre beteiligt sein könnten. Wir werden Methoden entwickeln, die Übertragung von Viren an die Nachkommenschaft schnell und einfach zu erkennen. Mit diesen experimentellen Ansätzen erwarten wir, zu zukünftigen antivirale Strategien in der Landwirtschaft beitragen zu können.

Alle oberirdischen Teile der Pflanzen entstehen aus einem spezialisierten Gewebe an ihrer Sprossspitze, das Meristem genannt wird. Es umschließt Stammzellen, die während des Wachstums der Pflanze neue Gewebe und Organe erzeugen. Wenn eine Pflanze Blüten bildet, werden diese Stammzellen schließlich männliche und weibliche Gameten hervorbringen, die nach der Befruchtung einen Embryo und damit die nächste Generation begründen. Meristeme haben aber auch eine Rolle in der Verteidigung gegen Viren. Obwohl Virusinfektionen für Pflanzen verheerend sein können, werden bemerkenswert viele pathogene Viren irgendwie daran gehindert, die Stammzellen in Meristemen zu infizieren. Man nimmt an, dass damit selbst infizierte Pflanzen Nachkommen erzeugen können, die größtenteils - oder vollständig - virusfrei sind. Wie die pflanzliche Verteidigung gegen die Viren im Meristem funktioniert, ist kaum verstanden. Durch die vom FWF geförderte Arbeit konnten wir durch mehrere experimentelle Ansätze zeigen, dass Pflanzen einen Abwehrmechanismus namens RNA-Interferenz verwenden, um ihre Stammzellen und Nachkommen vor Virusinfektionen zu schützen. Wir fanden heraus, dass Pflanzen kleine RNA-Moleküle verwenden, die in infiziertem Gewebe produziert werden, um ihre Stammzellen mit der genomischen Sequenzinformation des eindringenden Virus auszustatten. Dadurch können die Stammzellen eine Infektion bei der Ankunft des Virus effizient verhindern. Außerdem fanden wir heraus, dass dieser Mechanismus durch das Pflanzenhormon Salicylsäure aktiviert wird, das in diesem Fall als eine Art Alarmglocke fungiert. Während der Förderperiode haben wir außerdem viele biologische Werkzeuge und spezielle Mikroskopietechniken für weitere Untersuchungen entwickelt. Diese werden hoffentlich zu neuen Wegen führen, um die Samenübertragung von Viruskrankheiten bei Nutzpflanzen zu bekämpfen und so zur weltweiten Ernährungssicherheit beizutragen.