Schwefeldüngung als möglicher Schutz gegen Pflanzenpathogene

Schwefel, ein essentieller Makronährstoff für pflanzliches Leben, erfüllt viele wichtige Funktionen im Stoffwechsel und in der Abwehr gegen verschiedenste Umweltstressoren. Die starke Abnahme des atmosphärischen Schwefeleintrages seit den 80iger Jahren hat dazu beigetragen, dass Schwefelmangel mittlerweile zu einer häufig auftretenden Ernährungsstörung in der Landwirtschaft zählt. Schwefelmangel führt zu einer sinkenden Abwehrkraft der Pflanzen gegen abiotische und vor allem biotische Stressfaktoren. Eines der wichtigsten schwefelhaltigen Antioxidantien ist das Glutathion. Es schützt Pflanzen vor Sauerstoffradikalen, die in Abhängigkeit von verschiedensten umweltbedingten Stresssituationen, wie z.B. Pathogenbefall in der Pflanze verstärkt gebildet werden. Sauerstoffradikale, können von Glutathion entweder durch Einfangen direkt oder über den Ascorbat- Glutathion Zyklus indirekt entgiftet werden. Bei Nichtentgiftung führen sie zur Zerstörung von biologischen Membranen, Proteinen, RNS und DNS, welche Mutationen, Krebs und auch Zelltod hervorrufen. Speziell während Pathogeninfektionen kann eine starke Korrelation zwischen erhöhten Glutathionkonzentrationen und einer erhöhten Stressresistenz der Pflanze gegen den pathogeninduzierten oxidativen Stress beobachtet werden. Außerdem kommt es während Pathogenerkrankungen in Pflanzen zu einer starken Aktivierung des Ascorbat-Glutathion Zyklus. Deshalb kann man davon ausgehen, dass erhöhte Glutathionwerte und die Aktivierung des Ascorbat-Glutathion Zyklus direkt in Abwehrmechanismen gegen Pflanzenpathogene eingebunden sind. Cystein ist in Pflanzen das wichtigste Endprodukt der Schwefelassimilation und gleichzeitig der limitierende Metabolit in der Glutathionsynthese. Deshalb wird in diesem Projekt die Hypothese getestet, ob Schwefeldüngung zu einer Erhöhung der Stressresistenz in Pflanzen während verschiedener Pathogeninfektionen führt, welche direkt mit einer Erhöhung von Glutathion bzw. der Aktivierung des Ascorbat-Glutathion Zyklus korreliert werden kann. Dazu werden die wichtigsten Komponenten des Ascorbat-Glutathionzyklus (Ascorbat oder auch Vitamin C genannt, Glutathion, Cystein, Glycin, Glutamat, Glutathionereduktase und Glutathion-S-Transferase) in transgenen und nicht transgenen Pflanzen (Arabidopsis thaliana infiziert mit Pseudomonas syringae und Nicotiana tabacum infiziert mit Tabakmosaikvirus) mit erhöhten antioxidativen Abwehrmechanismen, in Kombination mit Schwefelfütterungen erhoben. Außerdem werden diese Untersuchungen auch im Zuge von Freilandversuchen mit Pyrenopeziza brassica infizierten Brassica napus (Raps) Pflanzen durchgeführt, welche sich, aufgrund ihres hohen Schwefelbedarfs besonders für Schwefeldüngungsexperimente eignen. Veränderungen der oben angeführten Metabolite, während Pathogeninfektionen, sind bisher nur in ganzen Organen (Blättern, Wurzeln) und nur unzureichend in einzelnen Zellen bzw. Zellorganellen bestimmt worden. Solche Daten sind aber essentiell, um antioxidative Abwehrmechanismen der Pflanzen auch auf zellulärer Ebene verstehen zu können und mögliche Abwehrmechanismen zu entwickeln. Zur Bestimmung der Metabolite in einzelnen Zellen und deren Organellen werden deshalb histo- cytohisto- und biochemische Untersuchungen (konfokale Laser Scanning und Transmissions- Elektronmikroskopie, HPLC) verwendet. Mögliche Unterschiede in der antioxidativen Stressabwehr zwischen schwefelgedüngten und nicht gedüngten pathogeninfizierten transgenen und nicht transgenen Pflanzen, werden das derzeitige unausreichende Wissen über die Rolle von Schwefel im Schutz gegen Pflanzenkrankheiten klären und mögliche Strategien für den Pflanzenschutz öffnen.

Die starke Abnahme des atmosphärischen Schwefeleintrages seit den 80iger Jahren hat dazu beigetragen, dass Schwefelmangel mittlerweile zu einer häufig auftretenden Ernährungsstörung in der Landwirtschaft zählt. Das Ziel dieses Projektes war es zu untersuchen, welche Bedeutung eine ausreichende Schwefelversorgung für die Pflanzenabwehr gegen Pathogene hat. Die Resultate dieses Projektes untermauerten die Hypothese, dass Schwefeldüngung die Stressabwehr von Tabakpflanzen gegen Tabakmosaikvirus (TMV) erhöhen. Schwefelgedüngte Nicotiana tabacum cv. Samsun nn (empfänglich für TMV) und Nicotiana tabacum cv. Samsun NN (resistent gegen TMV) Pflanzen zeigten schwächere Symptomausprägungen und weniger nekrotische Symptome, weniger Viruspartikel und Virusproteine als Pflanzen die unter Schwefelmangel litten. Die stärkere Stressresistenz von schwefelgedüngten Pflanzen gegen TMV korrelierte mit einer stärkeren Aktivierung des Ascorbate-Glutathion Zyklus und einer Erhöhung der Genexpression von Abwehrgenen. Deshalb kann davon ausgegangen werden, dass schwefelinduzierte Resistenz durch eine verstärkte Aktivierung von Abwehrgenen in Verbindung mit einer höheren antioxidativen Stresskapazität ausgelöst wird. Die Ergebnisse dieses Projektes sind somit von großer Bedeutung für die Landwirtschaft, da sie eindeutig zeigen, dass eine ausreichende Schwefelversorgung für die erfolgreiche Pflanzenabwehr gegen biotische Stresssituationen von großer Bedeutung ist.