Apfelbaum versus Mikroben

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Für seine Bewerbung um den KlarText-Preis hat Dennis Reckwell in seinem Beitrag in der Kategorie Biologie veranschaulicht, was er in seiner Doktorarbeit erforscht hat:

Es heißt ein Apfel am Tag hält den Doktor fern. Doch wie hält sich der Apfelbaum selbst gesund?

Apfelpflanzen beinhalten Abwehrstoffe, mit denen sie Bakterien und Pilze abtöten. Ungewöhnlicher Weise befinden sich diese Stoffe nicht in den Blättern sondern im Spross und in den Wurzeln. Wir haben im  Zusammenhang mit zwei Apfelkrankheiten untersucht wie die Pflanzen diese Stoffe herstellen und fanden das entscheidende Schlüsselenzym.

Ich stehe vor einer Gewächshauskammer im Sicherheitsgewächshaus des Julius Kühn-Instituts in Braunschweig. Auf der Tür ein großes Schild mit einem gelb-schwarzem Gefahrensymbol wie man es aus Agentenfilmen kennt. Unter dem Zeichen der doch beruhigende Hinweis: Biogefährdung für Pflanzen. Keine Gefahr für Menschen also. In der Kammer stehen etwa 100 junge Apfelreiser. Jeder ungefähr 60 cm hoch. Die erwähnte  Biogefährdung trage ich bei mir. Eine Flasche mit Wasser voller Bakterien. Die Bakterien heißen Erwinia amylovora. Ungefährlich für Menschen, doch für Apfelbäume tödlich. Ich gehe in die Kammer. Wochenlang habe ich die Apfelbäumchen gepflegt und vor Schädlingen bewahrt, doch heute tauche ich eine Schere in den tödlichen Inhalt der Flasche und schneide damit in die obersten Blättchen der Pflanzen. Auf diese Weise infiziere ich sie. Es ist für die Wissenschaft, sage ich mir. Bereits zwei Tage später sind die angeschnittenen Blätter braun verfärbt. In den nachfolgenden Tagen breitet sich diese Braunfärbung auf den grünen Trieb unterhalb der Blätter aus und wandert immer weiter sprossabwärts. Abzweigende Triebe färben sich ebenfalls braun, ihre Blätter welken und rollen sich ein. Der obere Teil der Pflanze sieht aus wie verbrannt, daher der Name dieser Apfelkrankheit: Feuerbrand. Doch nach etwa vier Wochen schreitet die Braunfärbung nicht mehr voran. Die Infektion ist aufgehalten. Aus dem grünen Gewebe unterhalb des abgestorbenen Sprosses bildet sich ein neuer gesunder Trieb.

Warum infiziere ich die Apfelpflanzen? Die Abteilung Biosynthese und Biotechnologie von Naturstoffen des Instituts für Pharmazeutische Biologie interessiert sich für die Bildung der Abwehrstoffe des Apfels. Die Apfelpflanze bildet diese Stoffe, um eingedrungene schädliche Bakterien und Pilze abzutöten. Es sind gewissermaßen pflanzeneigene Pestizide. Die Natur hat eine große Bandbreite solcher Substanzen hervorgebracht. Die Abwehrstoffe unterschiedlicher Pflanzenarten unterscheiden sich stark voneinander. Die Mikrobengifte des Apfels heißen Biphenyle und Dibenzofurane. Nur Kernobstgewächse, also auch Birne und Quitte, bilden diese Stoffe, jedoch keine anderen Pflanzen. Trotz der hohen wirtschaftlichen Bedeutung der Kernobstgewächse ist wenig bekannt, wie sie die Abwehrstoffe herstellen. Unserer Abteilung gelang es das für die Herstellung von Biphenylen verantwortliche Schlüsselenzym zu identifizieren: die Biphenyl Synthase (BIS). Dieses Enzym bildet aus drei Molekülen Malonyl-CoA und einem Molekül Benzoyl-CoA das 1,4-Dihydroxybiphenyl. Aus diesem Molekül formt der Apfel über eine Vielzahl von weiteren Enzymen eine große Bandbreite an Biphenylen mit  unterschiedlichen chemischen Eigenschaften und Wirkungen gegen Mikroben. Denn die Apfelpflanze erkennt, was für ein Bakterium sie infiziert hat und passt den Biphenyl-Cocktail entsprechend an. Des Weiteren enstehen auch die Dibenzofurane aus den Biphenylen.

Zurück zu den mit Feuerbrand infizierten Apfelpflanzen. Wie bereits erwähnt, wandert die Braunfärbung des Sprosses im Verlauf der Erkrankung immer weiter abwärts. Der Bereich des Übergangs zwischen dem grünen gesunden Gewebe und dem braunen kranken Gewebe wird als Transitionszone bezeichnet. Wir haben festgestellt, dass sich drei bis vier Wochen nach der Infektion hohe Konzentrationen von drei Biphenylen und zwei Dibenzofuranen ausschließlich in dieser Transitionszone befinden. „Das ist ungewöhnlich, Forscher erwarten Abwehrstoffe normalerweise in den Blättern, doch dies ist bei unserem Beispiel nicht der Fall“ zeigte sich Abteilungsleiter Professor Ludger Beerhues freudig überrascht. Diese Zone ist wie eine Art Frontlinie einer Schlacht. Die Bakterien rücken von oben immer weiter vor. Die Pflanzenzellen an der Frontlinie bilden die Abwehrstoffe. Sobald diese Zellen abgestorben sind rücken die Bakterien
weiter vor und die nächsten Zellen kämpfen gegen sie an.  Interessanterweise können wir erst etwa drei Wochen nach der Infektion nennenswerte Konzentrationen an Biphenylen in der Transitionszone feststellen, das Maximum liegt nach vier Wochen vor und die Infektion stoppt dann in der Regel. Doch wie sieht es mit der Aktivität des Schlüsselenzyms BIS aus? Alle zwei Tage nehme ich Proben von den infizierten Apfelpflanzen. Ich stelle Extrakte her und bestimme die
Aktivität des Gens der BIS. Dabei verwende ich die Methode der Reversen Transkription mit nachfolgender Polymerasekettenreaktion (RT-PCR). Hierbei wird zunächst sämtliche RNA im Extrakt in DNA umgewandelt und anschließend das Gen für die BIS millionenfach kopiert. Die Anzahl erhaltener Kopien kann ich anschließend optisch bestimmen, wodurch ich Rückschlüsseauf die Anzahl an BIS-RNA im Pflanzenextrakt ziehen kann.  Erstaunlicherweise habe ich festgestellt, dass die Transitionszone bereits zwei Tage nach der Infektion BIS-RNA enthält. Schon nach sechs Tagen ist die maximale Konzentration der BIS-RNA erreicht. In den nachfolgenden Wochen bis zum Infektionsende bleibt die RNA-Konzentration nahezu konstant. Wieso detektieren wir also erst nach drei bis vier Wochen Biphenyle und Dibenzofurane in der Transitionszone. Der Biosyntheseweg muss an einer nachfolgenden Stelle unterbrochen sein. Weitere Studien sind erforderlich, um dieses Rätsel zu lösen.

Im Laufe meiner Promotion trat Frau Professor Traud Winkelmann von der Abteilung Gehölz- und Vermehrungsphysiologie der Leibniz Universität Hannover an mich heran. Ihre Forschungsgruppe befasst sich mit dem Phänomen der Apfelbodenmüdigkeit oder kurz ARD (Apple Replant Disease). Dies ist ein Effekt der auftritt, wenn Apfelpflanzen mehrfach hintereinander in demselben Boden angezogen werden. Mit jeder Generation zeigen die Apfelpflanzen einen geringeren Wuchs und Ertrag. Wissenschaftler nahmen an, dies läge an den verbrauchten Nährstoffen im Boden.

Tatsächlich jedoch legen jetzt Forschungsergebnisse nahe, dass die ARD durch angehäufte schädliche Mikroben ausgelöst wird. Daher wird apfelmüder Boden durch die Behandlung mit Pflanzenschutzmitteln wieder gesund. Die verantwortlichen Mikroben sterben und die Pflanzen können wieder besser wachsen. Wenn die ARD also von schädlichen Mikroorganismen ausgelöst wird, sollte die Apfelpflanze darauf mit der Herstellung von Biphenylen und Dibenzofuranen reagieren. Allerdings wurden diese Abwehrstoffe noch nie zuvor in Wurzeln nachgewiesen sondern nur in Stämmen und in Ästen. Ich habe Wurzeln von Apfelpflanzen erhalten, die zuvor in apfelmüden Böden oder in geheilten apfelmüden Böden wuchsen. Von diesen habe ich Extrakte hergestellt. Über die Methode der Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) habe ich nach Signalen der uns bekannten Biphenyle und Dibenzofurane gesucht. Tatsächlich fand ich in den Wurzeln aus apfelmüden Böden dieselben Biphenyle und Dibenzofurane, die wir in den Transitionszonen von Feuerbrand-infizierten Apfelsprossen detektiert hatten. Die gesunden Wurzeln aus den geheilten Böden zeigten dagegen nur geringe Spuren dieser Stoffe. Darüber ist die BIS in den Wurzeln nachweislich aktiv. Somit habe ich zum ersten Mal die Biphenyl-Herstellung in Apfelwurzeln gezeigt und zugleich die These untermauert, dass die ARD von Mikroben verursacht wird.

Unsere heutigen Apfelsorten sind viel empfindlicher gegenüber Pflanzenkrankheiten als die wilden Apfelarten aus denen sie hervorgegangen sind. Dies ist damit zu begründen, dass Obstbauern jahrhundertelang auf Eigenschaften wie Geschmack und Fruchtgröße gezüchtet haben, Widerstandsfähigkeit gegen Krankheiten beachteten sie jedoch kaum. Das Verständnis für die Hintergründe der Biphenyl- und Dibenzofuranbildung in der Apfelpflanze wird uns helfen diesen natürlichen Mechanismus durch moderne züchterische Methoden zu optimieren. Denkbare Ziele wären es den Zeitpunkt der Biphenylherstelllung vorzuziehen oder die Endkonzentration zu erhöhen. Weiterhin könnten Züchter die Zusammensetzung des Biphenyl-Cocktails beeinflussen, um dessen Effektivität zu erhöhen. Die natürliche Abwehr der Apfelpflanzen zu optimieren würde wiederum helfen weniger künstliche Pflanzenschutzmittel einsetzen zu müssen und so Verbraucher und Umwelt nachhaltig zu schützen.

Dennis Reckwell wurde 1987 in Goslar geboren. Von 2006 bis 2011 studierte er Biologie an der Technischen Universität Braunschweig. Anschließend forschte er am Institut für Pharmazeutische Biologie der TU Braunschweig, wo er 2017 seine Dissertation mit dem Titel „Zeitliche und Räumliche  Regulation der Phytoalexinbiosynthese in Apfel“ abschloss. Nach seiner Promotion war er Wissenschaftler am Institut für Pflanzengenetik der Leibniz Universität Hannover und befasste sich mit Kartoffelkrebs. Mittlerweile ist er als Wissenschaftlicher Mitarbeiter bei der KWS SAAT SE & Co. KGaA angestellt und beschäftigt sich mit der molekularen Züchtung von Sonnenblumen.

 

4 Kommentare

  1. Tritt ARD nur auf Plantagen auf, bei denen alle paar Jahre die Bäumchen ausgetauscht werden? Oder findet man ARD auch bei alten Bäumen, z.B. auf Streuobstwiesen, weil sich die schädlichen Mikroben dort auch mit der Zeit anreichern?.

    • Die ARD (“Apfelnachbaukrankheit”) beschreibt ein Problem, das ausschließlich den Nachbau von Äpfeln und auch anderen Rosengewächsen betrifft. Es ist allerdings anzunehmen, dass auch ein alter Baum mit den schädlichen Mikroorganismen umgehen muss. Ein großgewachsener Baum ist jedoch weit weniger empfindlich als eine Jungpflanze, die sich erst an den neuen Boden gewöhnen und ein gutes Wurzelwerk ausbilden muss. Daher sind weit weniger Probleme zu erwarten.

  2. Zitat:

    Unsere heutigen Apfelsorten sind viel empfindlicher gegenüber Pflanzenkrankheiten als die wilden Apfelarten aus denen sie hervorgegangen sind.

    Stimmt. Das lässt sich gerade für den Feuerbrand (die Apfelbaum-Krankheit) bestätigen, denn viele Wildäpfel sind resistent gegen Feuerbrand. Der Blogbeitrag der ETH Zürich Resistent gegen Feuerbrand berichtet über eine genveränderte Apfelsorte:

    Sie verpflanzten mit Hilfe der Cis-​Gentechnik ein Resistenzgen aus einem Wildapfel in das Genom eines Apfels der Sorte Gala. Das Gen schützt den Baum wirksam vor der Infektion.

    Und siehe: das Gute liegt so nah. Die Vorfahren unserer Apfelbäume kamen scheinbar besser mit Feuerbrand zurecht als es die von uns gezüchteten Sorten tun.

    Sie schreiben noch, dass die von uns gezüchteten Sorten Grösse und Aroma optimiert sind (Zitat):

    Unsere heutigen Apfelsorten sind viel empfindlicher gegenüber Pflanzenkrankheiten als die wilden Apfelarten aus denen sie hervorgegangen sind. Dies ist damit zu begründen, dass Obstbauern jahrhundertelang auf Eigenschaften wie Geschmack und Fruchtgröße gezüchtet haben, Widerstandsfähigkeit gegen Krankheiten beachteten sie jedoch kaum.

    Mir scheint aber gezüchtete Tomaten sind nicht geschmackvoller, sonern im Gegenteil sie sind fader und weniger aromatisch. Tatsächlich liest man im Artikel A chemical genetic roadmap to improved tomato flavor:

    Moderne kommerzielle Tomatensorten sind wesentlich weniger geschmackvoll als Erbstücksorten. Um diesen Mangel zu verstehen und letztendlich zu beheben, haben wir die geschmacksassoziierten Chemikalien in 398 modernen, Erbstück- und wilden Akzessionen quantifiziert.

    Wir fanden heraus, dass moderne kommerzielle Sorten deutlich geringere Mengen vieler dieser wichtigen Geschmacksstoffe enthalten als ältere Sorten. Die Sequenzierung des gesamten Genoms und eine genomweite Assoziationsstudie ermöglichten die Identifizierung von genetischen Loci, die die meisten der Zielaromastoffe beeinflussen, einschließlich Zucker, Säuren und flüchtige Stoffe. Zusammen liefern diese Ergebnisse ein Verständnis der Geschmacksdefizite in modernen kommerziellen Sorten und die Informationen, die für die Wiederherstellung eines guten Geschmacks durch molekulare Züchtung erforderlich sind.

    Verallgemeinernd würde ich sogar sagen, dass nicht nur gezüchtete Tomaten sondern überhaupt viele Züchtungen meist weniger aromatisch sind als die entsprechenden Wildpflanzen. Das heisst: die meisten Züchtungen bevorzugen Quantität über Qualität. Das gilt vor allem für Pflanzen, die als Nahrungsmittel dienen, nicht aber unbedingt für Blumen und Zierpflanzen. Menschen wollten/wollen scheinbar vor allem ihre Bäuche vollschlagen und ihre übrigen Sinne mit nutzloser und dornenbewehrter (Rose) Schönheit betören.

    • Hallo Herr Holzherr,

      mit der Selektion auf Geschmack meinte ich vor allem die sehr frühe Selektion, bei wohlschmeckende Äpfel meist zufällig gefunden und anschließend über Pfropfung vermehrt wurden. Wenn ich mich nicht täusche, wurde so etwa die Sorte Granny Smith etabliert.

      Zu späteren Zeiten wurde durch die gezielte kommerzielle Züchtung in der Tat oft eher auf Größe und Quantität gesetzt. Das ist auch nicht weiter verwerflich, schließlich sind dies wichtige Eigenschaften. Angesichts einer wachsenden Weltbevölkerung ist die Steigerung des Ertrags bei gleichzeitger Schonung von Resourcen eine wichtiges zukunftsweisendes Züchtungsziel. Es ist aber auch so, dass in den letzten Jahren durch Erkenntnisse in der Forschung wie Sie sie zitieren und auch ein Umdenken in der Gesellschaft, weitere Aspekte in den Fokus der Züchtung rücken. Diese betreffen etwa Geschmack und den Wert für die Gesundheit (Stichwort Anthocyangehalt). Durch immer weiter fortschreitende Erkenntnisse in der Wissenschaft, ergeben sich immer mehr Möglichkeiten für die Pflanzenzucht diese Ziele zu erreichen.

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