Neue Erkenntnisse zur Pflanzenimmunität: Entdeckung von PRIMER-Zellen
LA JOLLA (8. Januar 2025) -- Der menschliche Körper nutzt eine vielfältige Population von Immunzellen, die zwischen den Organen zirkulieren und auf verschiedene Bedrohungen reagieren. Im Gegensatz dazu müssen Pflanzen auf einzelne Zellen angewiesen sein, um ihre eigene Immunität zu verwalten. Neue Forschungen von Wissenschaftlern des Salk Instituts zeigen, wie Pflanzenzellen sich anpassen, um sich gegen Pathogene zu schützen.
Bei der Begegnung mit einer Bedrohung wechseln Pflanzenzellen in einen spezialisierten Immunzustand und werden zu PRimary IMmunE Responder (PRIMER)-Zellen. Diese neue Zellpopulation fungiert als Knotenpunkt und initiiert die Immunantwort. Um diese PRIMER-Zellen herum befinden sich Nachbarzellen, die eine entscheidende Rolle bei der Übertragung der Immunantwort durch die Pflanze spielen.
Die Ergebnisse, die am 8. Januar 2025 in Nature veröffentlicht wurden, verbessern das Verständnis des pflanzlichen Immunsystems, das angesichts der zunehmenden Bedrohungen durch antimikrobielle Resistenzen und den Klimawandel immer wichtiger wird.
Professor Joseph Ecker, der Hauptautor der Studie, erklärt: „In der Natur werden Pflanzen ständig angegriffen und benötigen ein gut funktionierendes Immunsystem. Pflanzen haben jedoch keine mobilen, spezialisierten Immunzellen und müssen ein System entwickeln, in dem jede Zelle auf Immunbedrohungen reagieren kann, ohne andere Funktionen zu vernachlässigen. Bis jetzt waren die Mechanismen dahinter unklar.“
Pflanzen treffen auf verschiedene Pathogene, wie Bakterien und Pilze. Wenn diese Pathogene eindringen, übernehmen die stationären Pflanzenzellen die Verantwortung für die Reaktion und die Alarmierung benachbarter Zellen. Verschiedene Pathogene können an unterschiedlichen Stellen und zu unterschiedlichen Zeiten eindringen, was zu gleichzeitig ablaufenden Immunreaktionsphasen in der Pflanze führt.
Um diese Komplexität zu untersuchen, verwendete das Salk-Team zwei fortschrittliche Profilierungstechniken: zeitaufgelöste Einzelzell-Multiomik und räumliche Transkriptomik. Diese Kombination ermöglichte es dem Team, die Immunantwort der Pflanze in jeder Zelle mit beispielloser Detailgenauigkeit zu beobachten.
Der erste Autor Tatsuya Nobori merkt an: „Die Entdeckung dieser seltenen PRIMER-Zellen und ihrer umgebenden Nachbarzellen bietet bedeutende Einblicke, wie Pflanzenzellen kommunizieren, um externen Bedrohungen zu überleben.“
Die Forschung beinhaltete die Einführung bakterieller Pathogene in die Blätter von Arabidopsis thaliana, einem Modellorganismus in der Pflanzenforschung. Das Team identifizierte einen neuartigen Immunreaktionszustand, PRIMER, der in Zellen an spezifischen Immun-Hotspots auftrat. Die PRIMER-Zellen exprimierten einen neuen Transkriptionsfaktor, GT-3a, der wahrscheinlich entscheidend für die Alarmierung anderer Zellen bei einer aktiven Immunreaktion ist.
Darüber hinaus erwiesen sich die Nachbarzellen, die sich in der Nähe der PRIMER-Zellen befanden, als ebenso wichtig, da sie Gene exprimierten, die die Kommunikation über lange Strecken ermöglichen. Zukünftige Forschungen zielen darauf ab, die Interaktionen zwischen PRIMER- und Nachbarzellen weiter zu untersuchen, die als entscheidend für die Ausbreitung der Immunantwort vermutet werden.
Dieses neue Verständnis der pflanzlichen Immunantwort steht nun als Referenzdatenbank für Forscher weltweit zur Verfügung. Da Pathogene sich weiterentwickeln und sich im Zuge des Klimawandels sowie der steigenden Antibiotikaresistenz verbreiten, dient diese Datenbank als Grundlage für zukünftige Forschungen zur Sicherstellung gesunder Pflanzen und Kulturen.
Professor Ecker erklärt: „Es gibt großes Interesse an detaillierten Zellatlanten, und wir freuen uns, eine öffentlich zugängliche Ressource für Forscher zu schaffen. Unser Atlas könnte zu Entdeckungen führen, wie einzelne Pflanzenzellen auf Umweltstressoren reagieren, was entscheidend für die Entwicklung klimastabiler Kulturen ist.“
Weitere Mitwirkende der Studie sind Joseph Nery, Alexander Monell, Travis Lee, Yuka Sakata, Shoma Shirahama und Akira Mine.
Die Forschung wurde vom Howard Hughes Medical Institute und dem Human Frontiers Science Program unterstützt.
Über das Salk Institute for Biological Studies: Das Salk Institute widmet sich der Entschlüsselung der Geheimnisse des Lebens durch Forschung in verschiedenen Bereichen, einschließlich Pflanzenbiologie und Immunbiologie. Weitere Informationen finden Sie unter www.salk.edu.