Wie Bakterien Pflanzen „austricksen“ könnten

 

Mais ist eine der wichtigsten Nutzpflanzen der Welt. Er ist der Hauptbestandteil von Nahrungsmitteln in Afrika und Südamerika und wird weitläufig als Futtermittel und zur Produktion von Biokraftstoffen genutzt. Hunderte Jahre von Züchtung und Domestikation erlaubten die Evolution vom wilden Gras Teosinte aus Mexiko zum hoch produktiven Maiskolben, wie wir ihn heute kennen. Trotz dieser erfolgreichen Züchtung gibt es heute viele Maissorten, welche immer noch anfällig für durch Schädlinge ausgelöste Pflanzenkrankheiten sind.

 

 

Um diese Schädlinge zu bekämpfen, versucht die aktuelle Forschung zu verstehen wie Pflanzen resistenter werden könnten. In den letzten Jahren konnte gezeigt werden, dass die Erde, in welcher Pflanzen wachsen, einen entscheidenden Unterschied beim Befall mit Schädlingen machen kann. Der Erdboden beherbergt eine diverse Gemeinschaft von Mikroorganismen, wie beispielsweise Bakterien und Pilze (mehr Informationen dazu gibt es auch in den Planter’s Punch Beiträgen von Jia Yu und Paloma Duran). Es wurde gezeigt, dass viele dieser Mikroorganismen „Gegenspieler“ von Schädlingen sein können. Diese „Gegenspieler“ in „gesunden“ Böden können beispielsweise mit den Schädlingen um Platz im Boden konkurrieren und die Schädlinge aktiv bekämpfen. Aus diesem Grund haben Züchter*innen ein großes Interesse an diesen Gegenspielern, um den Kampf gegen Schädlinge gewinnen zu können.

 

 

Um diese „gesunden“ Böden zu verstehen, untersuchen wir, wie die Pflanze diese „guten“ Mikroben auswählen kann, während zur gleichen Zeit die Pflanze das Wachstum von „bösen“ Schädlingen verhindert. Dass die Pflanze in der Lage ist, diese „guten“ und „bösen“ Mikroben zu unterscheiden, ist erstaunlich, denn „gute“ und „böse“ Mikroben „sehen“ für die Pflanze gleich aus. Außerdem kann die Pflanze vermutlich nicht gut unterscheiden, ob ihre Verteidigungsmaßnahmen die „guten“ als auch die „bösen“ Mikroben treffen. Vielmehr wurde in der bisherigen Forschung gezeigt, dass die Pflanzen die Region nahe um die Wurzel, auch Rhizosphäre genannt, mit nützlichen „guten“ Mikroorganismen anreichern können.

Wir versuchen jetzt zu verstehen, wie die Pflanze „gute“ und „schlechte“ Bakterien auseinanderhalten kann. Unsere Hypothese ist, dass die Bakterien die Erkennung durch die Pflanze „austricksen“ können. Um Schädlinge zu identifizieren, geben die Pflanzen sogenannte Proteasen in den Raum außerhalb der Pflanzenzelle, auch Apoplast genannt, ab. Diese apoplastischen Proteasen funktionieren als Sensoren, welche Proteine wie beispielsweise Bestandteile der bakteriellen Zellwand spalten. Wenn diese bakteriellen Proteine in kleine Teile geschnitten wurden, sogenannte Peptide, dann können ebendiese von der Pflanze erkannt werden. Die Erkennung der Peptide löst dann die Verteidigungsmaßnahmen der Pflanze aus und der Kampf gegen die Eindringlinge beginnt.

Wir vermuten, dass diese „guten“ Bakterien in der Lage sind, die Spaltung ihrer eigenen Proteine mit sogenannten Inhibitoren zu verhindern. Diese Inhibitoren inaktivieren Proteasen und verhindern deren Funktionalität. Dadurch können diese Proteasen keine Peptide mehr freisetzten und die Erkennung der Mikrobe durch die Pflanze ist gestoppt. Dieser Mechanismus wurde bereits am Beispiel anderer Mikroben und Pflanzenspezies beschrieben.

 

 

 

Um unsere Hypothese zu testen, haben wir versucht, einen bakteriellen Proteasen-Inhibitor in einer Gemeinschaft aus „guten“ Bakterien zu finden, die aus der Mais-Wurzel gewonnen wurde. Dabei habe ich einen Inhibitor-Kandidaten gefunden, der unsere Hypothese bestätigen könnte! Jetzt wollen wir verstehen, ob die Bakterien diesen Inhibitor wirklich benötigen, um die Erkennung durch die Pflanze zu verhindern. Wir wollen außerdem herausfinden, ob dieses Bakterium durch diesen Inhibitor einen Vorteil gegenüber den anderen Bakterien hat oder ob es dadurch den anderen Bakterien helfen kann. Beispielsweise könnte dieser Inhibitor es anderen Bakterien ermöglichen, ebenfalls die Erkennung durch die Pflanze „auszutricksen“.

Das Verständnis dieser Interaktion zwischen Pflanzen und Mikroben, könnte uns helfen, bessere Strategien zum Schutz unserer Pflanzen vor künftigen Schädlingen zu entwickeln.

 

Planter’s Punch

Unter der Rubrik Planter’s Punch wird jeden Monat ein bestimmter Aspekt des CEPLAS-Forschungsprogramms vorgestellt. Alle Beiträge werden von Mitgliedern der Graduiertenschule und des Postdoc-Programms erstellt.

Über den Autor

Daniel Moser ist ein Doktorand in der Gruppe von Prof. Döhlemann im Institut für Terrestrische Mikrobiologie an der Universität zu Köln. Seine Forschung fokussiert sich darauf zu verstehen, wie pflanzliche Papain-ähnliche Proteasen in komplexen mikrobiellen Interaktionen moduliert werden. Bevor er CEPLAS beigetreten ist, studierte er Biochemie an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und forschte außerdem an der Michigan State University in den USA.

Heinrich Heine University
University of Cologne
Max Planck Institute for Plant Breeding Research
Forschungszentrum Jülich