Tübingen, Germany
July 28, 2016
Dodder successfully attacking a painted nettle. By penetrating the host plant stem with specific organs, the haustoria, it withdraws water, carbohydrates and other nutrients out of the host plant. Photo: Ursula Fürst/ZMBP, University of Tübingen
There exist more than 4,500 plant species which live as parasites on other plants. Some of them cause great damage to agriculture, even leading to the complete failure of crops. Researchers working with Dr Markus Albert at the University of Tübingen’s Center for Plant Molecular Biology (ZMBP) and collaborators from the Sainsbury Laboratory in Norwich (Professor Cyril Zipfel, Matthew Smoker) have been investigating the ways in which some species defend themselves against such parasites. They looked at various tomato cultivars which can prevent the dodder parasite from latching onto them. The scientists discovered a gene in the tomato which enabled the plant to recognize the dodder and trigger an innate immune mechanism. Up to now, that kind of defense mechanism had only been observed against microbial pathogens, insects and arachnids. The results suggest that it may be possible to better protect crops against plant parasites. The researchers’ study is published in the latest edition of Science.
Dodder is a member of the genus Cuscuta – all of which live as holoparasites on other plants. Without leaves or roots, they wrap themselves around the shoots of mostly herbaceous, dicotyledonous plants, infecting them with penetrating haustoria, special organs which connect to the host’s vascular system. They then withdraw water, carbohydrates and other nutrients out of the host. The host is weakened and usually dies without producing fruits or seeds. One of the few resistant tomato cultivars (Solanum lycopersicum) stops the Cuscuta haustoria from getting into its shoots by producing a corklike, woody tissue. Then the dodder dies off due to starvation.
The team of researchers used crossings of cultivated tomato with a wild tomato (Solanum pennellii), in order to find and isolate the dodder-resistance gene. “This gene encodes a receptor protein that localizes to the surface of the tomato cell,” says Markus Albert. “And it recognizes a molecular pattern of the dodder.” Once the receptor has received the signal that the parasite has arrived, it works like a molecular switch, setting off the tomato plant’s immune response. That leads to increased resistance by the host. “The tomato plant recognizes plant parasites much in the same way it perceives intruding bacteria,” Albert explains.
This is surprising, because the parasite and the host – as plants – are close to one another from the evolutionary point of view, “at least in comparison with the plant-microbe and plant-insect models,” he says. This is the first time a mechanism has been discovered whereby a plant recognizes another plant – or its molecular patterns – as foreign. This brings a new approach into the basic research into understanding the dialogue between plants at the cellular level. “This discovery also gives plant researchers new perspectives when it comes to creating new cultivars which are more resistant to parasitic plants,” Albert says.
Publication:
Volker Hegenauer, Ursula Fürst, Bettina Kaiser, Matthew Smoker, Cyril Zipfel, Georg Felix, Mark Stahl and Markus Albert: Detection of the Plant Parasite Cuscuta reflexa by a Tomato Cell Surface Receptor. Science, 29 July 2016. Doi: 10.1126/science.aaf3919
Wie sich die Tomate den pflanzlichen Parasiten Teufelszwirn vom Stängel hält - Tübinger Forscher entdecken den Mechanismus der Erkennung des Schmarotzers als Grundlage der natürlichen Resistenz
Weltweit gibt es mehr als 4.500 Pflanzenarten, die parasitisch von und auf anderen Pflanzen leben. Im Nutzpflanzenanbau richten einige dieser Arten großen Schaden an, bis hin zum vollständigen Ernteverlust. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der Arbeitsgruppe von Dr. Markus Albert vom Zentrum für Molekularbiologie der Pflanzen (ZMBP) der Universität Tübingen haben in Kooperation mit Professor Cyril Zipfel und Matthew Smoker vom Sainsbury Laboratory im englischen Norwich nun untersucht, wie einige Pflanzenarten durch eine natürliche Resistenz pflanzliche Parasiten abwehren können. Ihre Forschungsobjekte sind Kultursorten der Tomate, bei denen der Parasit Teufelszwirn vergeblich seine Saugorgane zu den Leitgeweben ausstreckt. Die Forscher entdeckten ein Gen bei der Tomate, das ihr die Erkennung des Teufelszwirns ermöglicht und einen Mechanismus der angeborenen Immunität in Gang setzt. Dieser war bisher nur aus der Abwehr der Pflanze gegen mikrobielle Krankheitserreger, Insekten oder Spinnentiere bekannt. Die Ergebnisse geben neue Hinweise, wie Nutzpflanzen besser gegen pflanzliche Parasiten geschützt werden können. Die Studie erscheint in der Fachzeitschrift Science.
Als Teufelszwirn oder Seide werden Pflanzen der Gattung Cuscuta bezeichnet, die alle parasitisch auf anderen Pflanzen leben. Ohne Blätter und Wurzeln winden sie sich um die Sprosse meist krautiger, zweikeimblättriger Pflanzen und infizieren diese, indem sie mit speziellen Saugorganen, den Haustorien, einen Kontakt zu deren Leitgeweben herstellen. Über diese Verbindung entziehen die Parasiten dem Wirt Nährstoffe, Wasser und auch Kohlenhydrate. Die stark geschwächte Pflanze stirbt meist ab, ohne Samen und Früchte auszubilden. Als eine der wenigen resistenten Arten lässt die Tomate (Solanum lycopersicum) die Cuscuta-Haustorien nicht in ihren Spross einwachsen, indem sie ein korkig-holziges Schutzgewebe bildet. In diesem Fall stirbt der Teufelszwirn ab, weil er nicht an die notwendigen Nährstoffe kommt.
Dem Forscherteam gelang es mithilfe von Kreuzungen der Kulturtomate und einer wilden Tomatenart (Solanum pennellii), ein für die Resistenz gegen den Teufelszwirn mitverantwortliches Gen zu entdecken und zu isolieren. „Im Erbgut der Tomate kodiert es für einen Rezeptor, der auf der Oberfläche der Tomatenzellen sitzt“, erklärt Markus Albert. „Er erkennt ein molekulares Muster des Teufelszwirns.“ Habe der Rezeptor das Signal von der Ankunft des Parasiten erhalten, funktioniere er als molekularer Schalter, der bestimmte Immunantworten der Tomate auslöse. Das führe zu einer gesteigerten Resistenz der unfreiwilligen Wirtspflanze. „Die Tomatenpflanze erkennt Pflanzenparasiten in ganz ähnlicher Weise, wie sie auch eindringende Bakterien wahrnehmen kann“, sagt der Wissenschaftler.
Dies sei überraschend, weil sich Parasit und Wirt als Pflanzen aus Sicht der Evolution sehr nahe stehen – „zumindest im Vergleich mit den Modellen Pflanze und Mikrobe oder Pflanze und Insekt“, sagt Albert. Bisher seien ein Mechanismus, mit dem Pflanzen andere Pflanzen als fremd erkennen, beziehungsweise molekulare Muster, die eine parasitische Pflanze als fremd kennzeichnen, unbekannt gewesen. Durch die neuen Ergebnisse habe man nun in der Grundlagenforschung bessere Ansatzpunkte, den Dialog zwischen Pflanzen auf zellulärer Ebene zu verstehen. „Außerdem stehen durch diese Entdeckung Pflanzenforschern neue Möglichkeiten zur Verfügung, Nutzpflanzen zu kreieren, die für parasitische Pflanzen weniger anfällig sind.“
Bei der Buntnessel gelingt dem Teufelszwirn die Infektion. Mit seinen Saugorganen, den Haustorien, entzieht er der Wirtspflanze Nährstoffe, Wasser und Kohlenhydrate. Foto: Ursula Fürst/ZMBP, Universität Tübingen
Publikation:
Volker Hegenauer, Ursula Fürst, Bettina Kaiser, Matthew Smoker, Cyril Zipfel, Georg Felix, Mark Stahl und Markus Albert: Detection of the Plant Parasite Cuscuta reflexa by a Tomato Cell Surface Receptor. Science, 29. Juli 2016. Doi: 10.1126/science.aaf3919
Topics
Species
