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

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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

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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

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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