Germany
August 3, 2023
Das Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie heißt mit Dr. Marion Clavel und Dr. Marco Incarbone gleich zwei neue unabhängige Forschungsgruppenleitungen willkommen.
Marion Clavel (links), Marco Incarbone (rechts) - © sevens+maltry
Mit den beiden neuen Forschungsruppen „Virusreplikation und Pflanzentoleranz“ und „Antivirale Immunität der Pflanzenkeimbahn“ erweitert das Institut seinen Forschungshorizont in Richtung von Pflanzeninteraktionen mit Viren.
Auch Pflanzen werden krank
So, wie wir können auch Pflanzen mit Viren infiziert werden und erkranken. Da kranke Pflanzen geringere Erträge liefern, verursachen Viruskrankheiten jedes Jahr massive Schäden in der Landwirtschaft. Um Pflanzen züchten zu können, die besser gegen Virusinfektionen gewappnet sind, muss man verstehen, wie Viren Pflanzen infizieren, und über welche Abwehrmechanismen Pflanzen verfügen, um sich gegen eine Infektion zu wehren. Viren sind eigentlich recht einfach aufgebaut. Sie bestehen im Wesentlichen aus genetischem Material, d. h. aus einem oder mehreren DNA- oder RNA-Stücken. Die DNA ist in einer Proteinhülle verpackt, wie in einer kleinen Kapsel. Wenn ein Virus eine Pflanzenzelle infiziert, programmiert das genetische Material des Virus die Pflanzenzelle um. Anstatt Proteine für das Pflanzenwachstum zu produzieren, wird die Zelle zu einer Fabrik für Viruskapseln und für das genetische Material des Virus. Die neu hergestellten Viren infizieren dann andere Zellen, und das Virus breitet sich in der gesamten Pflanze aus. Viren sind Experten darin, Zellen zu kapern. Sie reorganisieren viele zelluläre Prozesse komplett neu, um sich zu vermehren. All diese Veränderungen in den Zellen haben schwerwiegende Folgen für die Gesundheit und Lebenserwartung von Pflanzen.
Pflanzenzellen können Viren erkennen und sich verteidigen
© sevens+maltry
Die Pflanzen sind aber nicht wehrlos. Infizierte Pflanzenzellen merken, wenn sich ein Virus an ihnen zu schaffen macht. In einigen Fällen setzen die Zellen dann einen programmierten Selbstzerstörungsmechanismus in Gang, um die Ausbreitung der Infektion zu verhindern. Schließlich können sich Viren ohne eine Wirtszelle nicht vermehren. Bereiche solcher toten Zellen werden dann meist als Flecken auf den Pflanzen sichtbar. Pflanzen haben aber auch Möglichkeiten, den von einem Virus verursachten Schaden zu begrenzen. Ein solcher Mechanismus ist die Autophagie. Die Pflanzenzelle setzt Mechanismen in Gang, die unerwünschte Proteine in der Zelle einfangen und verdauen. Pflanzen, die keine Autophagie betreiben können erkranken daher schlimmer, als normale Pflanzen. Wie Viren die Autophagie in Pflanzen auslösen und wie die Zelle erkennt, welche Proteine verdaut werden müssen und welche nicht, ist noch völlig unbekannt und Forschungsschwerpunkt von Marion Clavels Gruppe.
"Ich möchte die molekularen Mechanismen entschlüsseln, die Autophagie im Zusammenhang mit Virusinfektionen steuern und bisher unbekannte Angriffspunkte für die Viren aufdecken, die für die Züchtung infektionsresistenter Pflanzen genutzt werden könnten", sagt Marion Clavel.
Das Rätsel der gesunden Pflanzenkinder
© sevens+maltry
Pflanzen haben noch eine weitere Barriere gegen Viren entwickelt. Diese greift während der Vermehrung und der Samenentwicklung. Viren befallen sehr effizient Zellen der Pflanze in Trieben oder Blättern. Aus noch völlig ungeklärten Gründen infizieren sie jedoch nur selten die lebenswichtigen Stammzellen, aus denen sich an der Spitze der Sprosse neues Gewebe bildet. Darüber hinaus können viele Viren keine Keimzellen und Embryonen von Pflanzen in den Samen infizieren, was einer der Gründe dafür ist, dass viele infizierte Pflanzen trotzdem gesunde Nachkommen haben. Das ist besonders bemerkenswert, da die Fortpflanzungszellen aus dem Stammzellen hervorgehen. Es könnte also sein, dass hier gleich eine ganze Reihe zusammenhängender und hoch wirksamer antiviraler Mechanismen am Werke ist, die noch völlig unerforscht sind.
„Es ist erstaunlich, wie Lebewesen so komplexe und atemberaubende molekulare Maschinen entwickelt haben, die in einem mikroskopischen Tanz interagieren, der sich bis heute völlig unserem Verständnis entzieht.“, findet Marco Incarbone.
Geteilte Leidenschaft
Ihre gemeinsame Faszination für Pflanzenviren führte die beiden Wissenschaftler bereits am Institut de Biologie Moléculaire des Plantes der Universität Straßburg zusammen. Beide hatten dann das Glück, sich am Gregor-Mendel-Institut für Molekulare Pflanzenbiologie in Wien wiederzutreffen, und das MPI-MP ist begeistert, dass es gleich zwei Experten auf diesem Forschungsgebiet gewinnen konnte. "Man könnte sagen die Sterne standen einfach gut, als sich zwei Stellen für unabhängige Forschungsgruppenleiter am MPI-MP auftaten, die einfach perfekt zu unseren Karrieren gepasst haben. Ich denke aber es zeigt auch, dass das MPI-MP sich der Belastungen bewusst ist, die eine wissenschaftliche Laufbahn an die sozialen und familiären Beziehungen von Forschenden stellt. Ich habe zuvor in Frankreich und Österreich gearbeitet. Deutschland und insbesondere die Max-Planck-Gesellschaft bieten einen ausgezeichneten Zugang zu technischen Einrichtungen, gute Möglichkeiten für Drittmittelförderung und zur Vernetzung. Ich kann es kaum erwarten, all dies nutzen zu können", so Marion Clavel.
New research groups at MPI-MP aim to unravel how plants defend themselves against viral infections
The Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology welcomes two new independent research group leaders, Dr. Marion Clavel and Dr. Marco Incarbone.
With two new research groups "Viral Replication and Plant Tolerance" and "Plant Germline Antiviral Immunity", the institute expands its field of research towards plant interactions with viruses.
Plants also get sick
Like us, plants can also become infected with viruses and fall ill. Since diseased plants produce lower yields, viral diseases cause massive damage to agriculture every year. To breed plants that are better equipped to resist viral infections, it is necessary to understand how viruses infect plants and what mechanisms plants have at their disposal to defend themselves against infection.
Viruses are actually quite simple in structure. They essentially consist of genetic material, i.e. one or more pieces of DNA or RNA, which is packaged in a shell of protein, like a small capsule. When a virus infects a plant cell the genetic material of the virus reprograms its functions. Instead of making proteins for plant growth, the cell becomes a factory for virus capsules and virus genetic material. The newly manufactured viruses then infect other cells and the virus spreads throughout the plant and to new host plants. Viruses have become experts at hijacking cells, rewiring many cellular processes in order to multiply. All this upheaval has profound consequences for the health and longevity of the plant.
Plant cells can detect viruses and fight back
However, plants are not defenseless. Infected plant cells notice when a virus tampers with them. In some cases, the cells then start a programmed self-destruction mechanism to stop the infection from spreading. After all, without a host cell, viruses cannot replicate. Areas of such dead cells then usually become visible as spots on the plants.
But plants also have ways to limit the damage caused by a virus. One such mechanism is autophagy. The plant cell sets in motion mechanisms that trap and digest unwanted proteins, within the cell. In fact, plants that cannot perform autophagy are sicker than normal plants. How viruses trigger autophagy and how the cell recognizes which proteins need to be digested and which do not is still completely unknown and the research focus of Marion Clavel's group.
"I would like to decipher the molecular mechanisms that control autophagy in the context of virus infections and possibly unveil previously unknown choke points for the viruses, that could potentially be exploited for growing crops resilient to infection," says Marion Clavel.
The mystery of healthy plant offspring
Plants have developed another barrier to viruses during reproduction and seed development. Viruses very efficiently attack cells of the plant in shoots or leaves. But for reasons that are as yet poorly understood, they seldom infect the vital stem cells from which new tissues are formed at the tip of the shoots. In addition, many viruses cannot infect plant gametes and embryos, which is one of the reasons many infected plants still have healthy offspring. This is quite remarkable, and since stem cells generate the reproductive cells, we are looking at a series of connected and very powerful antiviral mechanisms that remain to be investigated.
"It's amazing how living things have evolved such complex and breathtaking molecular machines that interact in a microscopic dance that to this day is completely beyond our understanding," finds Marco Incarbone.
A shared passion
Their shared fascination for plant viruses already brought the two scientists together at the Institut de Biologie Moléculaire des Plantes of the University of Strasbourg. Both then were lucky to meet again at the Gregor Mendel Institute for Molecular Plant Biology in Vienna, and the MPI-MP is excited to have been able to attract two experts in this field at once.
"You could say the stars really aligned when two positions opened up for independent research group leaders at the MPI-MP, which were just a perfect fit for our careers. But I think it also shows that the MPI-MP is aware of the burden a scientific career places on researchers' social and family relationships. I have previously worked in France and Austria. Germany and especially the Max Planck Society provides excellent access to technical facilities, good opportunities for external funding and networking. I am thrilled to be able to take advantage of all this!" says Marion Clavel.
Topics
Species
