Virusinfektionen und die Rolle des Glutathions

Der Anbau des steirischen Ölkürbis (Cucurbita pepo L. subsp. pepo var. styriaca GREB.) hat in der Steiermark eine lange Tradition, und besitzt aufgrund der Produktion des "geographisch geschützten" steirischen Kernöls eine große Bedeutung in der regionalen Landwirtschaft. Seit 1996 kommt es zu massiven Ernteverlusten um bis zu 60%, die auf das verstärkte Auftreten des Zucchinigelbmosaikvirus (ZYMV) zurückzuführen sind. Das ZYMV, erstmals 1981 beschrieben, ist ein Mitglied der Gruppe der Potyviren und führt weltweit in allen kürbisproduzierenden Ländern zu hohen Ertragseinbußen. Virusinfektionen lösen in den Pflanzenzellen verschiedenste Veränderungen aus, noch bevor man eine Krankheit von aussen erkennen kann. Mit dem Transmissions Elektronenmikroskop ist es möglich diese Veränderungen in den Kürbiszellen frühzeitig zu erkennen und festzustellen, warum es zu den auftretenden Schäden an den Pflanzen kommt. Dies bildet dann eine wichtige Grundlage zur Entwicklung von Bekämpfungstrategien und Pflanzenschutzmittel. Bis heute gibt es noch keine Daten darüber, wie das ZYMV die Zellen des steirischen Ölkürbis beeinträchtigt, und in welchen Teilen der Pflanze bzw. Zelle das Virus besonders grosse Veränderungen auslöst. Bestimmte Antioxidantien wie Vitamin C, Vitamin E oder die reduzierte Form von Glutathion (GSH) schützen die Pflanzen vor Virusinfektionen. GSH zum Beispiel spielt eine wichtige Rolle bei der Entgiftung von Substanzen, die vom Vinis in der Zelle gebildet werden. Ausserdem schützt GSH die Pflanze vor oxidativem Stress, der durch die Viruserkrankung ausgelöst wird. GSH kann im menschlichen Körper die Virusvermehrung verhindern und findet deshalb bereits grosse Anwendung in der Medizin. Wie und wo GSH Pflanzen, Tiere und Menschen während einer Viruserkrankung schützt, ist noch nicht bekannt. Deshalb ist das Ziel dieser Arbeit GSH in den Kürbiszellen mit verschiedenen mikroskopischen Techniken (Licht-, Fluoreszenz- und Elektronenmikroskop) zu lokalisieren und Veränderungen in der GSH-Konzentration während der Virusinfektion festzustellen. Dies soll Aufschluss darüber geben, wie der GSH-Gehalt in der Zelle durch das Virus beeinflusst wird und wo GSH in der Zelle der Viruserkrankung entgegenwirkt. Zusätzlich soll abgeklärt werden ob künstlich erhöhte GSH-Konzentrationen Änderungen oder Abschwächungen des Krankheitsverlaufes in mit ZYMV- infizierten Pflanzen bewirken, wie dies in anderen Pflanzenarten bereits erfolgreich vorgezeigt worden ist. Die Ergebnisse dieses Projektes werden wichtige Informationen über zelluläre Veränderungen und über die schützende Rolle des GSH in ZYMV-infizierten Pflanzen liefern, die einen wertvollen Beitrag in der Bekämpfung der Viruserkrankungen am steirischen Ölkürbis darstellen könnten.

Im Rahmen dieses Projektes wurden die Auswirkungen der Zucchini Gelb Mosaik Virus (ZYMV) Infektion auf die Ultrastruktur einzelner Zellen und auf den Glutathiongehalt im steirischen Ölkürbis untersucht. Diese Arbeit bildet nun eine wichtige Grundlage zur Entwicklung von Bekämpfungstrategien und Pflanzenschutzmittel. Mit Hilfe des Transmissions-Elektronenmikroskopes (TEM) konnte nachgewiesen werden, dass die ZYMV- Infektion zu massiven ultrastrukturellen Veränderungen in Blattzellen und zu einer Abnahme, der für die Photosynthese wichtigen Chloroplasten führt. Diese Veränderungen führen in weiterer Folge zur Ausbildung von Symptomen wie Vergilbungen, Zwergwuchs etc. Obwohl Viruspartikel auch in den Wurzeln nachgewiesen werden konnten, zeigten sich dort keine ultrastrukturellen Veränderungen. Mit Hilfe von biochemischen und cytohistochemischen Methoden wurden die Auswirkungen der ZYMV-Infektion auf den Glutathiongehalt untersucht, um mögliche Schutzfunktionen dieser Substanz für den steirischen Ölkürbis zu finden. Glutathion konnte mit Hilfe des Transmissions- Elektronenmikroskopes erstmals in Pflanzenzellen nachgewiesen werden. Es zeigte sich, dass einzelne noch nicht geschädigte Zellen erhöhte Glutathionkonzentrationen zeigten, wogegen der Glutathiongehalt im gesamten Blatt erniedrigt war. Ältere ZYMV- infizierte Blätter, bei denen die Symptomausprägung sehr weit fortgeschritten war, zeigten niedrigere Glutathionwerte als jüngere Blätter. In Wurzeln von infizierten Pflanzen war der Glutathiongehalt deutlich reduziert. Deshalb wurde versucht Glutathion künstlich in den Pflanzen zu erhöhen, um herauszufinden ob dies zu einem langfristigen Schutz der Pflanze gegen die ZYMV-Infektion führen könnte. Die künstliche Erhöhung von Glutathion führte tatsächlich zu einer massiven Reduktion und Unterdrückung der Symptomausprägung im steirischen Ölkürbis. In der dritten Woche zeigten 60% der ZYMV-infizierten Pflanzen in denen Glutathion künstlich erhöht worden war, keine und die restlichen 40% nur sehr schwache Symptome. Alle nicht behandelten Pflanzen zeigten starke bis mittelstarke Symptomausprägungen. In der sechsten Woche zeigten 20 % der Pflanzen in denen Glutathion künstlich erhöht worden ist keine Symptome und 30% nur schwache Symptome. Alle Pflanzen in denen Glutathion nicht erhöht worden ist zeigten starke Symptome. Die vorliegenden Untersuchungen zeigen, dass erhöhte Glutathionkonzentrationen Pflanzen gegen Viruserkrankungen schützen können und zu einer Unterdrückung bzw. Verzögerung der Symptomausprägung führen. Diese Erkenntnisse können nun für die Entwicklung von Bekämpfungstrategien und Pflanzenschutzmittel herangezogen werden. Die Arbeit aus diesem Projekt führte zu zahlreichen wissenschaftlichen Veröffentlichungen und internationalen Präsentationen und wurde mit dem "Erzherzog-Johann-Forschungspreises des Landes Steiermark für 2005" an Bernd Zechmann bedacht.