Pflanzenpathologie, auch bekannt als Phytopathologie, ist die wissenschaftliche Disziplin, die sich der Untersuchung von Pflanzenkrankheiten widmet, die entweder durch Krankheitserreger (infektiöse Organismen) oder widrige Umweltbedingungen (physiologische Faktoren) verursacht werden. Dieser Bereich umfasst die Identifizierung von Krankheitserregern, die Aufklärung der Krankheitsätiologie und -zyklen, die Bewertung der wirtschaftlichen Auswirkungen, die Analyse der Epidemiologie von Pflanzenkrankheiten, die Untersuchung der Pflanzenkrankheitsresistenz, das Verständnis der Auswirkungen von Pflanzenkrankheiten auf die Gesundheit von Mensch und Tier, die Erforschung der Pathosystemgenetik und die Entwicklung von Strategien zur Bekämpfung von Pflanzenkrankheiten.
Pflanzenpathogenität
Zu den Organismen, die für infektiöse Pflanzenkrankheiten verantwortlich sind und als Pflanzenpathogene bezeichnet werden, gehören Pilze, Oomyceten, Bakterien, Viren, Viroide, virusähnliche Organismen, Phytoplasmen, Protozoen, Nematoden und parasitäre Pflanzen. In den meisten pflanzlichen Pathosystemen hängt die Virulenz von Krankheitserregern von Hydrolasen und Enzymen ab, die in der Lage sind, die Zellwand des Wirts abzubauen. Ein erheblicher Teil dieser Enzyme zielt speziell auf Pektine ab, beispielsweise Pektinesterase, Pektatlyase und Pektinasen. Für mikrobielle Krankheitserreger dienen Zellwandpolysaccharide sowohl als Nahrungsquelle als auch als strukturelles Hindernis, das abgebaut werden muss. Zahlreiche Krankheitserreger zeigen opportunistisches Wachstum und nutzen dabei den natürlichen Zellwandabbau des Wirts, der häufig während der Fruchtreife beobachtet wird. Im Gegensatz zur menschlichen und tierischen Pathologie konzentriert sich die Pflanzenpathologie typischerweise auf einen einzelnen Erreger; Dennoch wurde festgestellt, dass bestimmte Pflanzenkrankheiten auf Wechselwirkungen zwischen mehreren Krankheitserregern zurückzuführen sind.
Eine erfolgreiche Pflanzenbesiedlung durch Krankheitserreger hängt von spezifischen Pathogenitätsfaktoren ab, die grob in fünf Haupttypen eingeteilt werden: zellwandabbauende Enzyme, Toxine, Effektorproteine, Phytohormone und Exopolysaccharide.
- Zellwandabbauende Enzyme erleichtern den Abbau der pflanzlichen Zellwand und ermöglichen dadurch die Freisetzung intrazellulärer Nährstoffe. Diese Kategorie umfasst Esterasen, Glykosylhydrolasen, Lyasen und Oxidoreduktasen.
- Von Krankheitserregern produzierte Toxine werden entweder als nicht wirtsspezifisch klassifiziert und verursachen Schäden bei einem breiten Spektrum von Pflanzenarten, oder als wirtsspezifisch und verursachen ausschließlich schädliche Auswirkungen auf bestimmte Wirtspflanzen.
- Effektorproteine werden von verschiedenen Krankheitserregern, einschließlich Bakterien, Pilzen und Oomyceten, entweder in die extrazelluläre Matrix oder direkt in die Wirtszelle sezerniert, wobei häufig das Typ-3-Sekretionssystem genutzt wird. Bestimmte Effektoren sind für ihre Fähigkeit bekannt, die Immunantwort des Wirts zu unterdrücken, möglicherweise durch Abschwächung oder Hemmung der intrinsischen Signalwege der Pflanze oder durch Reduzierung der Biosynthese von Phytochemikalien.
- Phytohormone, bei denen es sich um pflanzliche chemische Signale handelt, können auch von Krankheitserregern synthetisiert werden, um das Wachstum der Wirtspflanze zu ihrem eigenen Vorteil zu manipulieren.
- Exopolysaccharide, die hauptsächlich aus kurzen Zuckerketten bestehen, erleichtern die Anhaftung von Krankheitserregern an der Pflanzenoberfläche und lösen so den Infektionsprozess aus.
Physiologische Pflanzenstörungen
Bestimmte abiotische Erkrankungen können fälschlicherweise als durch Krankheitserreger verursachte Erkrankungen identifiziert werden. Abiotische Ätiologien umfassen natürliche Phänomene wie Dürre, Frost, Schnee und Hagel; hydrologische Probleme wie Überschwemmungen und unzureichende Entwässerung; Nährstoffmängel; die Ansammlung von Mineralsalzen, einschließlich Natriumchlorid und Gips; Schäden durch Windbrand und sturmbedingten Bruch; und Waldbrände.
Epidemiologie
Epidemiologie ist definiert als die systematische Untersuchung von Faktoren, die die Entstehung und Verbreitung von Infektionskrankheiten beeinflussen.
Das Krankheitsdreiecksmodell beschreibt die grundlegenden Voraussetzungen für die Manifestation von Pflanzenkrankheiten: die Wirtspflanze, den Krankheitserreger und die vorherrschenden Umweltbedingungen. Die Manipulation einer einzelnen Komponente innerhalb dieses Dreiecks kann als Strategie zur Krankheitsbehandlung dienen.
Krankheitsresistenz
Pflanzenkrankheitsresistenz bezieht sich auf die inhärente Fähigkeit einer Pflanze, durch Pflanzenpathogene ausgelöste Infektionen sowohl zu verhindern als auch zu unterdrücken. Strukturelle Abwehrkräfte wie die Kutikularschicht, Zellwände und stomatale Schutzzellen tragen dazu bei, das Eindringen von Krankheitserregern zu verhindern. Sollten Krankheitserreger diese anfänglichen Barrieren durchbrechen, aktivieren Pflanzenrezeptoren komplizierte Signalwege, die zur Produktion von Molekülen führen, die fremde Eindringlinge bekämpfen sollen. Diese Wege werden innerhalb der Wirtspflanze genetisch reguliert und können durch genetische Züchtung strategisch verändert werden, um krankheitsresistente Sorten zu entwickeln.
Management
Erkennung
Alte Methoden der Blattuntersuchung und der manuellen Präparation von Pflanzenmaterial wurden durch moderne Technologien ergänzt. Diese Fortschritte umfassen molekularpathologische Tests, einschließlich Polymerasekettenreaktion (PCR), Reverse-Transkriptions-PCR (RT-PCR) und schleifenvermittelte isotherme Amplifikation (LAMP). Während die PCR die Möglichkeit bietet, mehrere molekulare Ziele in einer einzigen Lösung nachzuweisen, ist ihre Multiplexkapazität begrenzt. Beispielsweise haben Bertolini et al. (2001), Ito et al. (2002) und Ragozzino et al. (2004) entwickelten PCR-Methoden, die in der Lage sind, sechs oder sieben molekulare Produkte von Pflanzenpathogenen zu multiplexen, während Persson et al. (2005) gelang das Multiplexen von vier Produkten mittels RT-PCR. Eine umfassendere molekulare Diagnostik erfordert den Einsatz von PCR-Arrays. Die weltweit am häufigsten eingesetzte Nachweistechnik ist der Enzyme-Linked Immunosorbent Assay (ELISA).
Biologische Methoden
Fruchtwechsel stellen eine konventionelle und gelegentlich wirksame Strategie dar, um die Etablierung parasitärer Populationen zu verhindern. Ein anschauliches Beispiel ist der Schutz vor einer Infektion durch Agrobacterium tumefaciens, dem Erreger von Gallenkrankheiten bei zahlreichen Pflanzenarten, indem Stecklinge vor dem Pflanzen zur Wurzelentwicklung in Suspensionen von Agrobacterium radiobacter getaucht werden.
Verlauf
Die Ursprünge der Pflanzenpathologie reichen bis in die Antike zurück, wobei Theophrastus in dieser Zeit grundlegende Beiträge zugeschrieben wird. Die wissenschaftliche Erforschung begann jedoch in der frühen Neuzeit nach der Erfindung des Mikroskops und erlebte im Laufe des 19. Jahrhunderts erhebliche Fortschritte.
Bemerkenswerte Personen in der Pflanzenpathologie
- George Washington Carver
- Anton de Bary
- Erwin Frink Smith
- Agnes Robertson Arber
- Harold Henry Flor