Germany
August 22, 2025
Tomato plants possess a sophisticated system to protect themselves against herbivores: the signaling peptide Systemin triggers a cascade of plant defense responses. A research team from the University of Tübingen and the University of Hohenheim in Stuttgart has now discovered that tomato plants possess a previously unknown natural Systemin antagonist named antiSys. AntiSys prevents the defense system from overreacting, which would otherwise interfere with plant growth and reproduction. This discovery expands our understanding of plant immunity and demonstrates that not only defense signals, but also their natural antagonists, are crucial for balancing growth and defense. The study is a result of a collaboration within the Collaborative Research Center (CRC) 1101 “Molecular Encoding of Specificity in Plant Processes.” The results have been published in the renowned journal "Cell": https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.07.044
Solanaceous plants, such as tomatoes, have a remarkably fine-tuned defense system protecting them from pests and pathogens. The signaling molecule Systemin plays a central role in this process. When, for example, insects cause feeding damage, Systemin triggers cellular defense reactions. The plant then produces substances that specifically impair the digestive system of their attackers, so that they can no longer utilize the ingested nutrients.
However, similar to the human immune system, constant or uncontrolled activation is dangerous. It can severely compromise normal growth and development.
AntiSys blocks Systemin receptor
The research team has now discovered a previously unknown antagonist of Systemin: the peptide antiSys. This small protein resembles Systemin in its structure but acts as an inhibitor of the highly sensitive Systemin receptor SYR1.
“AntiSys binds to the same receptor as Systemin, but without activating it. Since antiSys predominates in healthy plants, it occupies the receptor and thereby makes sure that the immune system remains inactive,” explains Professor Andreas Schaller from the University of Hohenheim. “However, when the plant is attacked by insects, Systemin is formed and released in large amounts. This leads to a competitive displacement at the SYR1 receptor: Systemin binds, the receptor is activated, and immune responses are triggered.”
AntiSys keeps immune responses under control
The importance of antiSys is demonstrated by plants that lack this peptide. Using CRISPR/Cas9 technology, the researchers generated mutants that did not produce antiSys. These plants showed significantly reduced growth, produced fewer fruits, and in some cases exhibited drastic malformations.
“These effects result from the uncontrolled activation of the immune system. If antiSys as an antagonist is missing, even the smallest amounts of Systemin are sufficient to activate the receptor and initiate defense responses,” says the head of the study, Professor Georg Felix from the Center for Plant Molecular Biology (ZMBP) at the University of Tübingen. “However, if we also remove the receptor, plants remain healthy despite the absence of antiSys.”
Tomatoes have several activating Systemins–and antiSys
But antiSys was not the only new finding: “For a long time, it was believed that Systemin is the only molecule of its kind in solanaceous plants. We have now found that, in addition to the Systemin gene, there is an entire gene cluster in tomato encoding four structurally similar peptides (or their precursor proteins),” says Lei Wang, who made this discovery as a doctoral student in Professor Felix’s lab.
“Three of these peptides resemble Systemin in their activity: they also trigger immune responses. Only antiSys—and this is the most exciting aspect—has exactly the opposite function: the antagonist suppresses immune responses.”
The researchers found antiSys also in related solanaceous crops such as eggplant, potato, and pepper, indicating an important function conserved throughout evolution. “Our discovery raises the question of whether similar antagonists also exist in other plant species—and whether they could be specifically used to make crop plants more resistant while maintaining vigorous growth,” says Professor Felix.
Parallels to the human immune system
The researchers see striking parallels to the human immune system, in which special antagonists dampen the effects of activating cytokines in order to keep inflammatory responses in balance. If the antagonist is missing, the balance is disturbed, resulting in autoimmune diseases such as rheumatoid arthritis or chronic inflammatory bowel diseases like Crohn's disease and ulcerative colitis.
In tomatoes, antiSys fulfills this task by maintaining the balance between defense and healthy growth: “Without antiSys, growth and development become disrupted, similar to a chronic inflammatory reaction: the receptor is ‘accidentally’ activated, leading to immune responses even though there is no insect attack,” explains Professor Felix.
Original publication:
Wang et al., A receptor antagonist counterbalances multiple systemin phytocytokines in tomato, Cell (2025), https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.07.044
So regulieren Pflanzen ihre Abwehr
Tomatenpflanzen verfügen über ein ausgeklügeltes System, um sich gegen Fressfeinde zu verteidigen: Das Signalpeptid Systemin löst in der Pflanze eine Kaskade von Abwehrreaktionen aus. Ein Forschungsteam der Universität Tübingen und der Universität Hohenheim in Stuttgart hat nun gezeigt, dass Tomatenpflanzen über einen bislang unentdeckten natürlichen Gegenspieler namens antiSys verfügen. Er verhindert, dass das Abwehrsystem überreagiert, was negative Folgen für das normale Wachstum und die Vermehrung der Pflanze nach sich ziehen würde. Diese Entdeckung erweitert das Verständnis der pflanzlichen Immunität und zeigt, dass nicht nur Abwehrsignale, sondern auch deren natürliche Gegenspieler entscheidend für das Gleichgewicht zwischen Wachstum und Schutz sind. Die Studie ist Ergebnis einer Kooperation im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1101 „Molekulare Kodierung von Spezifität in pflanzlichen Prozessen“. Nachzulesen sind die Ergebnisse in der renommierten Fachzeitschrift „Cell“: https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.07.044
Nachtschattengewächse, wie Tomatenpflanzen, besitzen ein erstaunlich fein abgestimmtes Abwehrsystem, das sie vor Schädlingen und Krankheitserregern schützt. Eine zentrale Rolle spielt dabei das Signalmolekül Systemin. Es löst in den Zellen der Pflanze Abwehrreaktionen aus, wenn etwa Insekten Fraßschäden verursachen. Dann produzieren sie Substanzen, die gezielt die Verdauung ihrer Fressfeinde beeinträchtigen, so dass diese die aufgenommenen Nährstoffe nicht verwerten können.
Doch wie beim menschlichen Immunsystem ist eine dauerhafte oder unkontrollierte Aktivierung gefährlich. Sie kann das normale Wachstum und die Entwicklung stark beeinträchtigen.
AntiSys blockiert Systemin-Rezeptor
Das Forschungsteam hat nun einen bislang unbekannten Gegenspieler von Systemin entdeckt: das Peptid AntiSys. Dieses kurzkettige Protein ähnelt in seiner Struktur dem Systemin, wirkt aber als Hemmstoff für den hochempfindlichen Systemin-Rezeptor SYR1.
„AntiSys bindet zwar an den gleichen Rezeptor wie Systemin, aber ohne ihn zu aktivieren. Da AntiSys in gesunden Pflanzen überwiegt, besetzt es den Rezeptor und stellt so sicher, dass das Immunsystem inaktiv bleibt“, erklärt Professor Andreas Schaller von der Universität Hohenheim. „Wird die Pflanze jedoch von Insekten befallen, wird Systemin in großen Mengen gebildet und freigesetzt. Es kommt zu einem Verdrängungswettbewerb am SYR1-Rezeptor, Systemin bindet, der Rezeptor wird aktiviert und die Immunreaktionen werden ausgelöst.“
AntiSys hält Immunabwehr in Schach
Wie entscheidend AntiSys ist, zeigen Pflanzen, denen dieses Peptid fehlt. Mithilfe der CRISPR/Cas9-Technologie erzeugten die Forschenden Mutanten, die kein AntiSys bildeten. Diese Pflanzen wuchsen deutlich schlechter, bildeten weniger Früchte und zeigten teils drastische Fehlbildungen.
„Diese Effekte beruhen auf der unkontrollierten Aktivierung des Immunsystems. Fehlt AntiSys als Gegenspieler, dann reichen schon kleinste Mengen an Systemin aus, um den Rezeptor zu aktivieren und die Abwehrreaktionen auszulösen“, so der Leiter der Studie, Professor Georg Felix vom Zentrum für Molekularbiologie der Pflanzen (ZMBP) der Universität Tübingen. „Wenn wir diese Rezeptoren jedoch ebenfalls entfernen, bleiben die Pflanzen trotz fehlendem AntiSys gesund.“
Tomaten besitzen mehrere aktivierende Systemine – und AntiSys
Doch die Forschenden entdeckten nicht nur AntiSys: „Lange hat man geglaubt, dass Systemin das einzige seiner Art in Nachtschattengewächsen sei. Nun haben wir herausgefunden, dass es neben dem Gen für Systemin ein ganzes Gencluster in der Tomate gibt, in dem vier strukturell ähnliche Peptide beziehungsweise deren Vorläuferproteine kodiert werden“, freut sich Lei Wang, der diese Entdeckung als Doktorand von Professor Felix gemacht hat.
„Drei davon ähneln Systemin in ihrer Aktivität: Auch sie lösen Immunreaktionen aus. Nur AntiSys – und das ist natürlich das Spannendste – hat eine genau entgegengesetzte Aktivität, der Antagonist unterdrückt die Immunreaktionen.“
Zudem fanden die Forschenden AntiSys auch in verwandten Nachtschattengewächsen wie Aubergine, Kartoffel oder Paprika, was auf eine wichtige, in der Evolution seit langem bewahrte Funktion schließen lässt. „Unsere Entdeckung wirft die Frage auf, ob ähnliche Gegenspieler auch in anderen Pflanzenarten existieren – und ob sie sich gezielt nutzen lassen, um Kulturpflanzen widerstandsfähiger, aber zugleich wachstumsstark zu machen“, sagt Professor Felix.
Parallelen zum menschlichen Immunsystem
Die Forschenden sehen auffällige Parallelen zum menschlichen Immunsystem, wo ebenfalls spezielle Antagonisten die Wirkung von aktivierenden Zytokinen dämpfen, um Entzündungsreaktionen im Gleichgewicht zu halten. Fehlt der Antagonist, ist die Balance gestört und es kommt zu Autoimmunerkrankungen, wie beispielsweise rheumatoide Arthritis, oder chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen wie Morbus Crohn und Colitis ulcerosa.
In Tomaten erfüllt AntiSys diese Aufgabe, indem es die Balance zwischen Abwehr und gesundem Wachstum ermöglicht: „Ohne AntiSys kommt es zu Störungen in Wachstum und Entwicklung, die wir mit einer chronischen Entzündungsreaktion vergleichen: Der Rezeptor wird sozusagen ‚unabsichtlich‘ aktiviert, und Immunreaktionen werden ausgelöst, obwohl gar kein Insektenbefall vorliegt“, erläutert Professor Felix.
Publikation
Wang et al., A receptor antagonist counterbalances multiple systemin phytocytokines in tomato, Cell (2025), https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.07.044
Originalpublikation:
https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.07.044
Topics
Species
