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Pflanzen und Mikroben: gute oder schlechte Nachbarn?

In meinem Blogbeitrag habe ich schon festgestellt: Mikroben sind einfach überall. Deshalb hat mich der Vortrag „Pflanzen und Mikroben: Freunde oder Feinde?“ aus der öffentlichen Vortragsreihe des CEPLAS (Exzellenzcluster für Pflanzenforschung) besonders interessiert. Für mich war er eine passende Ergänzung.

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Vortrag von Prof. Peter Westhoff, Pflanzen und Mikroben – Freunde oder Freunde?

Wann sind Mikroben ein Problem für Pflanzen?

Mikroorganismen – Viren, Bakterien, Pilze – sind vor allem problematisch, wenn viele gleiche Pflanzen in direkter Nachbarschaft wachsen, wie z. B. Getreide oder Kartoffeln auf den Feldern. Die ausgelösten Erkrankungen können sich schnell von einer zur nächsten Pflanze ausbreiten.

Acker

Viele gleiche Pflanzen sind anfällig für Erkrankungen, Foto: Ricarda Schügner

In „freier Wildbahn“ wachsen in der Regel viele unterschiedliche Pflanzen in Nachbarschaft. Da nicht alle Pflanzen anfällig für die gleichen Mikroben sind, können sich die Krankheiten nicht ausbreiten. Im Garten wird versucht dem Nachteil der einheitlichen Bepflanzung durch Mischkulturen entgegenzuwirken. Die benachbarten Pflanzen sollen sich gegenseitig schützen und im Wachstum unterstützen. Es gibt eine Vielzahl an Büchern, die sich mit dem Thema der „guten Nachbarschaft“ im Gemüsegarten befassen.

Bauerngarten

Beispiel für einen Bauerngarten, Foto: Ricarda Schügner

Viren – Bakterien – Pilze

Viren, Bakterien und Pilze unterscheiden sich im Aufbau. Viren weisen den einfachsten Aufbau auf: eine Proteinhülle mit DNA (Desoxyribonukleinsäure) oder RNA (Ribonukleinsäure). Die DNA bzw. RNA liefert die Information zur Synthese von Proteinen (Eiweißen). Viren verfügen nicht über einen eigenen Stoffwechsel. Mit der DNA oder RNA, die Viren in die Wirtszelle bringen, programmieren sie die Zelle um, so dass sie Stoffe zur Vervielfältigung der Viren herstellt. Viren werden wegen des fehlenden Stoffwechsels von den meisten Virologen nicht zu den Lebewesen gezählt. Ein Beispiel für eine virale Erkrankung bei Pflanzen ist das Tabakmosaikvirus. Ich habe bei Youtube ein Video von Plant Pathology gefunden, dass zeigt, wie sich die Pflanze gegen das Virus wehrt. An Stellen an denen das Virus eindringt, sterben die Zellen – auch um die infizierte Zelle herum – ab. So kann das Virus keine gesunden Zellen infizieren.

Den Aufbau von Bakterien habe ich in meinem Blogbeitrag zu Antibiotika ausführlich beschrieben. Es handelt sich um Zellen mit einem eigenen Stoffwechsel und einer ringförmigen DNA, aber ohne Zellkern. Zur Fortbewegung nutzen Bakterien häufig Geißeln.

Pilze sind komplizierter aufgebaut. Ihre Zellen besitzen einen eigenen Zellkern. Es gibt einzellige Pilze, z. B. Hefen, und mehrzellige Pilze. Pilze bilden neben dem Pflanzen- und dem Tierreich ein eigenes Reich. Beispiele für eine Pilzinfektion bei Pflanzen ist die Krautfäule bei Kartoffeln oder Tomaten oder Mutterkorn bei Getreide. Gerade bei der aktuellen feucht-warmen Wetterlage kommen häufiger Pilzinfektionen bei Nutzpflanzen vor.

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Roggen mit Mutterkorn, Foto: Ricarda Schügner

Alle Mikroben können Krankheits- bzw. Schadbilder an Pflanzen verursachen. Die Mikroorganismen gelangen über Verletzungen oder durch die Spaltöffnungen der Blätter in die Pflanzen.

Können Pflanzen die eindringenden Mikroben erkennen?

Pflanzen sind tatsächlich in der Lage ihre „Feinde“ zu erkennen – und sich zu wehren. Neben den vorgestellten Mikroorganismen trifft das Erkennen und die Verteidigung auch „größere Pflanzenfresser“ (Herbivoren).

Wie werden Bakterien erkannt?

Die meisten Bakterien nutzen zur Fortbewegung Geißeln (Flagellen). Hauptbestandteil dieser Geißeln ist das Protein Flagellin. Pflanzliche Zellen können das Flagellin erkennen und dann wird – vergleichbar wie bei Tieren und Menschen – eine Immunreaktion ausgelöst.

Über welche Abwehrmechanismen verfügen Pflanzen?

Die erste Möglichkeit sich gegen Mikroben zu schützen ist die mechanische Abwehr. Es werden „Mauern aufgebaut“. Bezogen auf Pflanzenzellen bedeutet dies, dass die Zellwand der Zelle komplett oder teilweise verstärkt wird. Eindringlinge haben es dann schwerer in die Zelle zu gelangen.

Nummer zwei ist die „chemische Keule“. Pflanzen stellen Substanzen her, die den Angreifern schaden. Es gibt drei Gruppen von Verbindungen.

 

  • Reaktive Sauerstoffspezies
    Eine Beispielsubstanz ist Wasserstoffperoxid, dass z. B. zum Bleichen von Haaren (blondieren) oder zur Desinfektion verwendet wird. Wasserstoffperoxid ist ein starkes Oxidationsmittel.
  • Phytoalexine
    Phytoalexine sind kleine Moleküle, die zu den sekundären Pflanzeninhaltsstoffen gehören. Sie werden von der Pflanze gebildet, wenn ein Eindringling erkannt wird und sind in der gesunden Pflanze nicht nachweisbar. Ein Teil der Pflanzen verfügt zusätzlich über dauerhaft vorhandene Abwehrstoffe, wie z. B. die Senfölglykoside, die in Rettich oder Kresse vorkommen.
  • Abwehrproteine
    Pflanzen sind in der Lage Proteine (Eiweiße) herzustellen, die die Zellwand von Pilzen und Bakterien angreifen und zerstören können. Proteaseinhibitoren (Proteasehemmer) verhindern den Abbau von Enzymen bei Pilzen und Insekten. Ribonukleasen spalten Ribonukleinsäureketten (RNA) der Viren und Pilze.

 

Der dritte Abwehrmechanismus ist die hypersensitive Antwort. Wie oben an dem Beispiel mit dem Tabakmosaikvirus zu sehen ist, sterben Stellen an denen das Virus eindringt sowie gesunde Zellen der Umgebung großflächig ab. Auf diese Weise wird der Eindringling bzw. das Virus isoliert.

Wie ihr in meinem Blogbeitrag zu den Antibiotika zu sehen ist, vermehren sich Bakterien sehr schnell und in großer Zahl. Auf diese Art kommen immer wieder Mutationen vor. Ähnlich wie bei den Antibiotikaresistenzen ist es so möglich, dass die Abwehrmechanismen der Pflanzen umgangen werden. Auch bei Pflanzen gibt es Mutationen und die können die Abwehr gegen Mikroben verbessern… Es bleibt also spannend im „Rüstungswettlauf“ Pflanze gegen Mikroorganismus.

Gibt es auch nützliche Mikroben?

Ich habe hier im Blog schon festgestellt, dass Mikroben überall sind – und wir nicht ohne sie überleben können. Es gibt auch Pflanzen, die mit nützlichen Pilzen und Bakterien zusammenleben. Beispiele sind die Leguminosen (Schmetterlingsblütler), die mit Stickstoff-liefernden Bakterien zusammenleben und Mycorrhiza-Pilze, die die Nahrungsaufnahme der Pflanzen verbessern.

Leguminosen (Schmetterlingsblütler)

Die Leguminosen, wie z. B. Bohnen oder Erbsen, leben in Symbiose (was bedeutet, dass das Zusammenleben für beide Arten vorteilhaft ist) mit Bakterien, die den Stickstoff aus der Luft in für die Pflanzen nützlichen Dünger umwandeln können. Die Bakterien erhalten dafür von den Pflanzen produzierte Nahrung. Da die Stickstoffverbindungen ein wertvoller Dünger für die Felder sind, werden Lupinen (auch Leguminosen) als Gründünger eingesetzt.

Feuerbohnen

Feuerbohnen, Foto: Ricarda Schügner

Mycorrhiza

Die Mycorrhiza-Pilze leben ebenfalls in Symbiose mit Pflanzen. Sie befinden sich in den Wurzeln der Pflanzen. Dort helfen sie der Pflanze bei der Wasser- und Nährstoffaufnahme. Im Gegenzug bekommen sie Nahrung geliefert.
Zum Abschluss habe ich ein Youtube-Video des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ.de), dass das Zusammenleben von Pflanzen und Pilzen zeigt.

Spaziergang, Roggenfeld und Mutterkorn

Bei meinem Spaziergang entlang eines Roggenfeldes, habe ich einige Ähren mit merkwürdigen Auswüchsen gesehen. Mir kam die Erinnerung an mein Studium: Naturstoffchemie – Alkaloide (meist stickstoffhaltige, alkalische Verbindungen mehrheitlich aus Pflanzen, die eine pharmakologische Wirkung haben). Genauer gesagt die Alkaloide des Mutterkorns, eines Pilzes, der Getreide befällt.

Da ich „Mutterkorn“ bisher noch nicht live und in Farbe gesehen hatte, habe ich die Bildersuche angeworfen. Mich hat die Vielzahl der Ergebnisse erstaunt, da sich bei mir der Begriff „Mutterkorn“ irgendwie mit dem Begriff „früher“ verknüpft hatte. Aber die gefundenen Fotos sahen so aus, wie meine Beobachtung auf dem Feld:

Mutterkorn ist die Dauerform des Schlauchpilzes (Claviceps purpurea). Der Pilz befällt bei feucht-warmem Wetter bevorzugt Roggen, aber auch andere Getreide und Gräser (zu denen unsere Getreide ja gehören).

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Das sind ja nur erste Informationen – da muss ich direkt mal weiter recherchieren 😉

Wikipedia bietet ja einen guten Einstieg – und dann gibt es da ja noch meine Chemiebücher 🙂 Unter der Überschrift „Ergoline“ [Lit. 1] finde ich die Angabe, dass Mutterkorn „etwa 30 Alkaloide mit tetracyclischem Grundskelett“ enthält. Davon kenne ich namentlich Ergotamin (Migränemedikament) und LSD. Im anderen Buch [Lit. 2] finde ich, dass der Chemiker Albert Hofmann auf der Suche nach pharmazeutischen Wirkstoffen Anfang des 20. Jahrhunderts auch LSD synthetisierte und die unbekannte Substanz im Selbstversuch testete :-/ Was bei mir immer noch ein leichtes schaudern auslöst, da die Alkaloide des Mutterkorns bekannterweise hochgiftig sind.

Im Mittelalter [Lit.3] starben viele Menschen an „Ergotismus“. Es wird über 2 Formen berichtet: schwerste Krampfanfälle und Durchblutungsstörungen, die zum Absterben der Extremitäten führten. Trotzdem wurde Mutterkorn als Arznei in der Geburtshilfe und vermutlich auch zur Abtreibung eingesetzt, da die Alkaloide auch Kontraktionen der Gebärmutter verursachen. Ein hochgiftiger und schwer zu dosierender Alkaloidcocktail. Gut das ich nicht zu den damaligen Patienten gehörte. Erst seit ab dem 19. Jahrhundert einzelne Alkaloide isoliert und synthetisiert wurden, können sie genau dosiert werden.

Gut, das war jetzt der Blick zurück – und vermutlich meine Verbindung von Mutterkorn mit dem Wörtchen „früher“. Aber wie meine Fotos zeigen, ist der Pilzbefall durchaus aktuell. Mal sehen, was so ein wenig weitere „Suchtätigkeiten“ ergeben.

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Aktuelle Beiträge zum Thema Mutterkorn

Auf der Seite des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft habe ich eine Seite mit „Handlungsempfehlungen“ inkl. Link zu einem entsprechenden pdf-Dokument gefunden mit aktuellem Stand: 01.07.2014. Ziel der Empfehlungen ist es das Mutterkorn und die Ergotalkaloide im Getreide zu reduzieren.

Dann habe ich noch einige Beiträge aus dem letzten Jahr gefunden, die von einem vermehrten Befall sprechen, z. B. in Niedersachsen – ein Artikel in einer Fachzeitschrift sowie bei der Landwirtschaftskammer, der Seite des Landwirtschaftsministeriums von Bayern, der Deutschlandfunk hat berichtet, dass Schlickgras an der Küste befallen ist.

Wie es scheint, ist der Mutterkorn-Befall keine Seltenheit – besonders bei warm-feuchtem Wetter. Es ist mir vermutlich vorher nur nicht aufgefallen.

Literatur

[1] E. Breitmaier, G. Jung, Organische Chemie; 4. Auflage 2001 (Georg Thieme Verlag)

[2] H.-J. Böhm, G. Klebe, H. Kubinyi, Wirkstoffdesign, 1996 (Spektrum Akademischer Verlag)

[3] E. Vaupel: Mutterkorn – Ein tödliches Gift wird zur Arznei; Kultur & Technik, Nr. 3 2005, 44-48