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Phytomedizin
Alexandra C. U. Furch
Vorlesung Pflanzenphysiologie WS 2018/19
Foto: Anatoli Ludwig
Warum Phytomedizin?
Kogel et al., unpubl
• Bevölkerungswachstum in Entwicklungsländern
• Verluste durch Krankheiten und Klima
• Qualitätsprobleme für Nahrungsprodukte
durch Krankheiten und Schädlinge
• Unwirksamkeit von Pflanzenschutzmitteln
durch Adaptation von Krankheitserregern
(=Wirkstoffresistenzen)
• Umweltprobleme durch Landwirtschaft
wie Bodenverseuchung durch Schwermetalle
im organischen Landbau
Probleme
Ernteverluste müssen minimiert werden!
Aufgaben der Phytomedizin:
Produktion von Pflanzen mit hoher Quantität und Qualität!
Teilgebiete der Phytomedizin:
a) Diagnose: Bestimmung von Krankheitserregern
Nachweis durch:
• Makroskopische und mikroskopische Bewertung des Krankheitsbildes
• Einsatz von spezifischen Antikörpern
• Einsatz von DNA Sonden
Verfärbungen
Welkerscheinungen
Absterbeerscheinungen
Beschädigungen
Teilgebiete der Phytomedizin:
b) Therapie: Protektive und kurative Therapie
Pflanzenschutz:
• Chemische Pflanzenschutzmittel
• Biologische Pflanzenschutzmittel (nützliche Organismen)
• Physikalische Maßnahmen
Teilgebiete der Phytomedizin:
c) Aufklärung von Krankheitsmechanismen
Grundlage für verbesserten Pflanzenschutz
Befall von Weizenblättern
mit dem Weizenschwarzrostpilz
(Puccinia graminis f. sp. tritici)
Konidie von
Puccinia graminis
Resistenz von Weizen gegenüber Puccinia graminis beruht auf einem einzigen Gen
Pflanze mit Resistenzgen
Pflanze ohne Resistenzgen
Pilzkolonie (Pustel)
Teilgebiete der Phytomedizin:
d) Verbesserung von Pflanzen
• Plants vs fungi, bacteria, parasites• Wounding• Compatible/incompatible interactions
Kogel et al., unpubl
Mutterkorn
Claviceps purpurea
an Roggen
Qualität von Nahrungsmitteln
bedroht durch Pflanzenkrankheiten
Pilze produzieren Mycotoxine
Mutterkornpilz verursacht die als
ERGOTISMUS
bezeichnete Krankheit
Starke Gliederschmerzen, Lähmungserscheinungen,
Muskelkrämpfe, und Absterben einzelner Körperteile
unter Umständen mit tödlichem Ausgang;
„Verblödung“ und Halluzinationen......
Enthält eine Reihe an giftigen Alkaloiden:Lysergsäure als Vorstufe
ergosin, ergotamin, ergokriptin, ergokristin, ergokornin, ergometrin
Giftiger Getreidepilz, heute unter Kontrolle
Neue Roggensorten sind weniger anfällig für den Pilz, Siebe und Scanner sortieren die Körner sorgfältig aus.
10g Mutterkorn können tödlich sein
13
Powdery Mildew – Barley
Compatible interaction
haustorium
resistent
Gerste – Mehltaupilz - Interaktion
anfällig
Blumeria graminis
- Obligat biotroph- Ernteverlust bis zu 25%- befällt Weizen, Gerste, Roggen, Hafer sowie zahlreiche Futter- und Wildgräser
Konidienträger mit Konidien
Strukturelle Barrieren verhindern Infektionen Q
uers
chnitt
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ines B
lattes
Blattoberseite
Strukturelle Barrieren sind konstitutive (immer) vorhanden
oder werden durch den Mikroorganismus induziert!
Eine induzierte Pflanzenreaktion wird als Abwehrreaktion bezeichnet.
Strukturelle und biochemische Barrieren
• Kutikula
• Zellwände
Strukturell: Biochemisch:
• Einlagerungen in die Zellwand
• Keimungsinhibitoren
• Phytoalexine
• Antimikrobielle Proteine
• Antioxidatives System
Biochemische Einlagerung in Zellwände:
Lignin, Kork, Kallose, Hydroxyprolin-reiche Proteine
Phytoalexine = Niedermolekulare antimikrobielle Stoffe
Tannine, Flavonoide, Terpenoide, Alkaloide
Cyanogen glycoside
Antimikrobielle Proteine (PR Proteine):
Chitinasen, ß-1,3-Glukanasen, Defensine
Mikroskopisch nachweisbare Abwehrreaktionen
PapillePflanzliche Zellwand verstärkt
Mehltau-Konidie
Keimschlauch
Zellinneres
Zelltod
(Hypersensitive Reaktion) Epidermiszelle
Häufige Abwehrreaktionen*:
biochemisch
• Phytoalexine
• Antimikrobielle Proteine
• Hypersensitive Reaktion
• Sauerstoffradikale
• Zellwandappositionen
= Papillen
physikalisch
*werden erst bei Angriff durch Mikroorganismus aufgebaut
Bildung von Sauerstoffradikalen
als erste sichtbare Reaktion der Pflanze
Abwehrreaktion: Stop für den Pilz
H2O2 accumulation
Akkumulation von H2O2
Reaktive Sauerstoff-Spezies (ROS)
Singlet Sauerstoff: O2
Superoxid Anion: O2-.
Wasserstoffperoxid: H2O2
Hydroxyl Radical: OH.
Perhydroxyl Radical: O2H.
Ozon: O3
Die Rolle in der Abwehr
ROS
Signal:Programmierter Zelltod
Zellwandsynthese
Expression von
Abwehrgenen
Phytoalexin Synthese
Antioxidantien Synthesis
Substrate:Protein cross-linking
Lignin Synthese
Direkt Effekte:Toxisch für pathogene Mikroben
Reaktive Sauerstoff-Spezies, ROS:
Pflanze erkennt Oberflächenmoleküle des Pathogens
= Pathogen-Associated Molecular Pattern, PAMPs
• Chitin in Hyphenwänden von echten Pilzen
• ß-1,3-Glucan in Wänden von Oomyceten
• Flagellin in der Bakteriengeißel
Beispiele für PAMPs
Wodurch erkennt die Pflanze einen Angriff?
Pflanze erkennt Angriff und reagiert mit Abwehr
(PAMP-triggered Innate Immunity (PTI)
Induktion von Hyphen-abbauenden
Chitinasen durch pilzliches Chitin
Chitin in Hyphenwänden von echten Pilzen
Expression eines
Chitinase GensChitinase
Chitin
Pilz Pflanze
Pflanze erkennt Angriff und reagiert mit Abwehr
PAMP-triggered Innate Immunity (PTI)
Chitin ist ein Kohlenhydrat-Polymer mit ß-glykosidisch
gebundenen N-Acetylglucosamin-Monomere
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Bakterien Flagellin, ein PAMP
wirkt induzierend in Pflanze und Tier
Arten von Immunität (Resistenz) bei Pflanzen
gegenüber phytopathogenen Organismen
• Innate Immunity
• Monogene Resistenzen
Eigenschaften der Innate Immunity
• steht unter komplexer genetischer Kontrolle
• kann strukturelle und biochemische konstitutive und
induzierbare Abwehrelemente enthalten
• große Dauerhaftigkeit: d.h. Resistenzbruch
unwahrscheinlich
• am weitesten verbreitete Form der Resistenz im Pflanzenreich
Innate Immunity
Rezeptoren
Resistenz Protein
Oxydative burst
Transkriptionsfaktor
Monogene Resistenzen
Resistenzgen-vermittelte Abwehrreaktionen
von Gerste gegenüber dem Mehltaupilz
Zelluläre und molekulare Komponenten
bei monogenen Resistenzen
Signaltransduktion
Abwehrproteine
Nucleus
Plasmamembran
Pflanzenzelle
Resistenzgen-Produkt
Erkennung von spezifischen mikrobiellen
Elicitoren durch Pflanzenrezeptor
Pflanzliche Rezeptoren werden durch
RESISTENZ GENE (R GENES) kodiert
Pilzliche Oberflächenmoleküle werden durch
AVIRULENZ GENE (AVR GENES) kodiert
AVR
Pflanzlicher Rezeptor
= Resistenzgen-Produkt
Pilzliches Oberflächenmolekül
= specific elicitor
= Avirulenzfaktor
Gen für Gen Modell
Produkte von Avirulenzgen des Pathogens
und Resistenzgen des Wirtes interagieren
nach dem Schlüssel-Schloss Prinzip
PflanzeErkennung
= ResistenzPathogen
Pathogen
Nichterkennung
= Anfälligkeit
Pflanze
Plasmamembran
Cytoplasma
Zelläußeres
Struktur eines Resistenzgen-Produkts
Hydrophobe Domäne (alpha Helix)
Domäne für
Pathogen-Erkennung
LRR-Sequenzen
Signale für Abwehr
zum Zellkern (meist:
Kinase-Domäne)
Cys
37
Pathogen:ColletotrichumlindemuthianumPilz
Pathogen:PseudomonaslachrymansBakterium
Pathogen:
TNV
Virus
Kontrolle:
unbehandelt
BiologischeAktivierung:
mit Virus
Erstinfektion TNV
ChemischeAktivierung:
mit Induktor
Systemisch Aktivierte Resistenz
Systemic Resistance
mobile signal
cell death
local infection
necrotising pathogen,
requires increase in SA
challenge infection
primed cellular defense:
– cell wall strengthening
– cell death (HR)
– PR genes
COOH
SA
OH
root infestation
SAR-systemic acquired resistance
- Lokalisierung von Nekrosen führt zur systemischen Immunisierung
Erhöhte Resistenz Reduzierte Krankheitssymptome
- SAR ist assoziiert mit der systemischen Expression von vielen Abwehrgenenz.B. pathogenesis related (PR1-5) proteins
- Salicylsäure (SA) wird an der infizierten Stelle (Nekrosen) in großen Mengen syntetisiertbevor es im Phloem transportiert wird
SAR-systemic acquired resistance
ISR-induced systemic resistance
SAR nach Infektion mit nekrotrophen Pathogenen, entfernte Pflanzenteile sind weniger anfällig bei einer erneuten Infektion
ISR ähnliche Art der induzierten Resistenz wird durch die Kolonisierung der Wurzel mit nicht-pathogenen Pseudomonas spp ausgelöst.
SAR
Akkumulation von SAPR Genexpression
ISR
Akkumulation von JA/ETDEFENSIN Genexpression
ISR-induced systemic resistance
Impact of Piriformospora indica on
Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici in tomato
Control P. indicaF. oxysporum P. indica +
F. oxysporum
Phloem-/Xylem-basierte Krankheiten
Bakterien
Pilze
Phytoplasmen
Viren
Phloem Xylem
Viele Pathogene machen sich das vaskuläre System als Transportroute durch die Pflanze zu Nutze
Phytoplasmen
Wikipedia
Phloem-basierte Krankheiten
Wikipedia
SA Hogenhout - John Innes centre (www.jic.ac.uk); Department of Disease and Stress Biology
Phytoplasma
Phytoplasma
Phytoplasmen-Systematik
+ Zellwand
- Zellwand
Wikipedia
H Börner (2009) Pflanzenkrankheiten und Pflanzenschutz
SA Hogenhout et al. (2008) MOLECULAR PLANT PATHOLOGY 9, 403-423
Phytoplasmen-Steckbrief
ursprünglich gram-positive, nun zellwandlose,
pleiomorphe Bakterien
statt Zellwand 3-schichtige Membran Gram-negativ-Färbung
Größendurchmesser: 0.2 - 0.5 μm
Genomreduktion (530 - 1350 kb) (z.B. E. coli 4500 - 4600 kb)
stark reduzierter Stoffwechsel
obligat biotrophe Parasiten des pflanzlichen Phloems
TEM
three layered membrane (closed arrow)
ribosomes (R)
nucleic acid (arrow)
One phytoplasma is budding (B)
Bar: 0.1 mm.
TEM
Phloem in C. roseus L. leaf tissue infected
with Apple Proliferation (AP) phytoplasma
AP agents are numerous and pleomorphic in
shape
some are organized into short chains
(arrows)
Bar: 1 mm.
R Musetti and MA Favali (2003) Micron 34, 387-393
Genom als Anpassung auf eine parasitische Lebensweise stark reduziert!
Phytoplasmen – lack of genes
lack of gens for multiple copies of genes
tricarboxylic acid cycle transporter-related genes
sterol biosynthesis five genes encoding P-type ATPases
which are similar to animal Na+/K+ and
H+/K+ pumps
fatty acid biosynthesis
de novo nucleotide synthesis
biosynthesis of most amino acids
pentose phosphate pathway
F0F1-type ATP synthase
ATP synthesis in phytoplasma might be
strongly dependent on the glycolytic
pathway?
Wikipedia
www.organische-chemie.ch
SA Hogenhout et al. (2008) MOLECULAR PLANT PATHOLOGY 9, 403-423
Phytoplasmen - Vektor - Wirtspflanze
Phytoplasmen-Vermehrung findet durch Teilung statt
Übertragung durch infiziertes Pfropfmaterial und phloemsaugende Insekten, (meist
Zikaden) von Pflanze zu Pflanze; die Insekten wirken daher als Vektoren.
Vor der Weiterübertragung auf gesunde Pflanzen findet eine Vermehrung im Vektor
statt. Die resultierende Latenzzeit kann zwischen 7 und 80 Tagen dauern. In den neu
infizierten Pflanzen können Symptome nach ~7 Tagen oder erst nach Monaten
auftreten.
Die Krankheitserreger gelangen nicht in die Eier der Vektoren. Die nachfolgenden
Vektor-Generationen sind daher frei von Pathogenen.
Phytoplasmen sind außerhalb von Pflanzen oder Insekten nicht überlebensfähig.
Wikipedia
www.organische-chemie.ch
H Börner (2009) Pflanzenkrankheiten und Pflanzenschutz
SA Hogenhout et al. (2008) MOLECULAR PLANT PATHOLOGY 9, 403-423
Phytoplasmen - Vektor - Wirtspflanze
Phytoplasmen können in ihrem pflanzlichen Wirt die Bildung von Insekten-
lockstoffen anregen und so ihr Vektor-Insekt durch bestimmte Geruchsstoffe
anlocken.
Phytoplasmen können mit ihren Vektor-Insekten symbiontische Beziehung
eingehen, sodass ein effizienter Vektor positiv beeinflusst wird:
längeres Überleben des Vektors ohne neue Nahrung
höhere Toleranz gegenüber suboptimalen Temperaturen
höhere Nachwuchsrate
In ineffizienten Vektoren kann allerdings das Gegenteil passieren.
Wikipedia
www.organische-chemie.ch
H Börner (2009) Pflanzenkrankheiten und Pflanzenschutz
SA Hogenhout et al. (2008) MOLECULAR PLANT PATHOLOGY 9, 403-423
PLUS VEKTOR
MINUS VEKTOR
PLUS VEKTOR
Phytoplasmen - Vektor - Wirtspflanze
SA Hogenhout et al. (2008) MOLECULAR PLANT PATHOLOGY 9, 403-423
- Phytoplasmas haben einen klaren negativen Einfluss auf ihre Wirtspflanzen:
- Aufnahme zahlreicher Stoffwechselprodukte aus der Wirtszelle Änderung des
physiologischen Gleichgewichtes der Pflanze
- Entstehung von typischen Phytoplasmen-Symptomen wie Hexenbesen in Sink-
Geweben, wie jungen Trieben und Wurzeln.
- Manipulation der Wirtspflanze zu einem neuen Wirt für “wirtsfremde” Zikaden
- Zusätzlich induzierte Produktion von jungen, grün/gelben Trieben kann vermehrt
Vektoren anlocken.
- Möglicherweise Down-Regulation von insect-specific defence responses der
Wirtspflanze, um den Wirt attraktiver zu machen.
- Möglicherweise Down-Regulation genereller Verteigungsantworten gegen
Insekten z.B. Jasmonsäure-Signalweg, „microbe/pathogen associated molecular
patterns”.
W Schweigkofler - Land- und Forstwirtschaftliches Versuchszentrum Laimburg (www.laimburg.it)
PLUS VEKTOR
PLUS PHYTOPLASMA
PLUS VEKTOR
PLUS PHYTOPLASMA
PLUS PHYTOPLASMA
PLUS VEKTOR
A Bressan (2005) Dissertation
Der Vektor
Macrosteles quadrilineatus, the most important
vector of aster yellows phytoplasma in the United
States, feeding on aster.
SA Hogenhout - John Innes centre (www.jic.ac.uk);
Department of Disease and Stress Biology
Macrosteles quadrilineatus, the
leafhopper-vector of AY-WB.
SA Hogenhout et al. (2008) Molecular
Plant Pathology 9, 403-423
W Schweigkofler - Land- und Forstwirtschaftliches Versuchszentrum Laimburg (www.laimburg.it)
Der Grad an Wirts-
spezifität ist unter-
schiedlich ausgeprägt
stark abhängig von
Mono- oder Poly-
phagie des Vektors.
SA Hogenhout et al. (2008) Molecular Plant Pathology 9, 403-423
Abbreviations:
Amg - anterior midgut
Br – brain
Cng - compound nerve ganglion
Fc - filter chamber
Es - oesophagus
He - haemolymph
Hg - hindgut
Mmg - mid midgut
Mt - Malpighian tubules
pH - phloem
Sd - salivary duct
Sg - salivary glands
Sp - salivary pump
St - stylet
Xy - xylem
Phytoplasmen - Vektor - Wirtspflanze
mehr als 700 Pflanzenkrankheiten werden von Phytoplasmen verursacht:
Blattvergilbungen
rötlich-violette Blattverfärbungen
Zwergwuchs
Besenwuchs
Rosettenbildung der Blätter
vergrößerte Nebenblätter
Kleinfrüchtigkeit
vorzeitiger Fruchtfall
Nekrosen
Wuchsanomalien wie Phyllodie („grüne Blüten“)
Beeren von betroffenen Weinreben schrumpfen im reifen Zustand, werden
sauer und können abfallen.
Verfrühung der Triebe
Wikipedia
H Börner (2009) Pflanzenkrankheiten und Pflanzenschutz
W Schweigkofler - Land- und Forstwirtschaftliches Versuchszentrum Laimburg (www.laimburg.it)
einige Phytoplasmosen sind:
Apfeltriebsucht (Candidatus Phytoplasma mali)
Gummiholzkrankheit (apple rubbery wood phytoplasma) an Apfel
Birnenverfall (Candidatus Phytoplasma pyri)
Rubus-Stauche an Brombeere und Himbeere
Schwarzholzkrankheit bei Weinreben
Ulmenvergilbung
Steinobstvergilbung ESFY (Candidatus phytoplasma prunorum)
Wikipedia
H Börner (2009) Pflanzenkrankheiten und Pflanzenschutz
W Schweigkofler - Land- und Forstwirtschaftliches Versuchszentrum Laimburg (www.laimburg.it)
NA Harrison and ML Elliott (2008) University of Florida – IFAS, Fort Lauderdale Research and Education Center
Krankheitsbilder
Gallinger et al. unpubl.
(2) Autonome Provinz Bozen – Südtirol; Abteilung Landwirtschaft
Es gibt zwei Arten der durch Phytoplasmen hervorgerufenen Vergilbungskrankheiten:
Schwarzholz-krankheit (Bois noir) (1)
Goldgelbe Vergilbung (Flavescence dorée) (2). Letztere ist die aggressivere Form der
Vergilbung.
(1) Bayerische Landesanstalt für Weinbau und Gartenbau; Rebschutz und Lebensraum Weinberg
1
2
- Färbe-Methoden relativ unspezifisch
1) DAPI(4,6-diamidino-2-phenylindole) bindet an die DNA von Bakterien
2) Dienes-Reagenz metabolisiert Phytoplasmen und erzeugt eine blaue
Färbung
- „ELISA-Test“ Monoklonale oder polyklonale Antikörper binden an bestimmte
Oberflächenstrukturen der Phytoplasmen
- PCR mit 16S rRNA sehr spezifisch
W Schweigkofler - Land- und Forstwirtschaftliches Versuchszentrum Laimburg (www.laimburg.it)
Nachweis von Phytoplasmen
Musetti et al., 2011
W Schweigkofler - Land- und Forstwirtschaftliches Versuchszentrum Laimburg (www.laimburg.it)
- echte Resistenzen scheinen sehr selten zu sein
„coconut lethal yellowing“
- Toleranz gegenüber Phytoplasmen
bei bestimmten Obstbäumen (Prunus, Malus)
Forst- und Parkbäumen (Fraxinus, Prunus virginiana)
krautigen Pflanzen (Lavendula)
- Abwehr gegen Phytoplasmen Phloem-Nekrose
Resistenzen / Abwehr gegen Phytoplasmen-Befall
• Ausgelöst durch Bakterien
• Ausgelöst durch Pilze
Xylem-basierte Krankheiten
z. B. Erwinia, Xanthomonas
z. B. Fusarium, Verticillium
Xylem-basierte Krankheiten
Fusarium wilts
Symptome
Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici Fusarium oxysporum f. sp. niveum
Wassermelone
Tomate
1. Leichte Aufhellung der Blattvenen
2. Herabhängende Blätter
3. Pflanzen verkrüppeln
4. Blätter vergilben
5. Blätter und junge Stängel verwelken
6. Absterben
Infektionskreislauf Fusarium oxysporum
Agrios 2005
Fusarium Kontrolle
Nutzung von resistenten Sorten ist die einzige praktische Maßnahme
um Fusarium im Feld zu kontrollieren
Der Pilz ist so weitverbreitet und persistent im Boden, dass Sterilisation
und Fruchtfolge ihn nicht limitieren können
Sterilisation des Bodens ist nur im Gewächshaus möglich und praktikabel
Biologische Kontrolle:
- Inoculation mit nichtpathogenem Fusarium oder antagonistischen Pilzen (Trichoderma, Pseudomonas fluorescence)
- Induzieren von systemischer Resistenz durch Zoosporen von Oomyceten(Phytophtora cryptogea)
Konidien von Fusarium sp.
Xylem-basierte Krankheiten
Erwinia
Erwinia tracheiphila
Infektionskreislauf Erwinia tracheiphila
Erwinia Kontrolle
Beste Möglichkeit: Kontrolle des Cucumber Käfers mit Insektizid
Nutzung resistenter Sorten
Nutzung gesunden Materials
Thank you for your attention
Dr. Alexandra Furch
Phytomedizin
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