Salzige Böden sensibilisieren Pflanzen

… für eine unkonventionelle Form der toxischen Wirkung von Bakterien.

Eine gemeinsame Studie von Forschenden des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung und dem Fraunhofer-Institut für Molekularbiolgie und angewandte Ökologie hat gezeigt, wie ein einziger Metabolit Bakterien unter hohen Salzgehalten für Pflanzen toxisch machen kann. Ihre Erkenntnisse könnten wichtige Auswirkungen auf die Landwirtschaft und die Pflanzengesundheit in Zeiten des Klimawandels haben.

Der Klimawandel und insbesondere die steigenden Temperaturen werden das Pflanzenwachstum stark belasten und Auswirkungen auf die Pflanzenproduktion haben. Eine unmittelbare Folge steigender Temperaturen ist ein erhöhter Wasserbedarf für die Pflanzen auf den Feldern. Mehr Bewässerung führt jedoch auch zu mehr Salzgehalt, da sich auf diese Weise Nährsalze in den landwirtschaftlichen Böden anreichern. Der Klimawandel wird sich ebenfalls auf die Pflanzengesundheit auswirken, indem er die Lebensgemeinschaften zahlreicher Mikroorganismen beeinflusst, die in enger Verbindung mit den Pflanzenwirten leben. Diese Gemeinschaften machen die Pflanzen widerstandsfähiger gegen Stress und widerstandsfähiger gegen krankheitserregende Mikroben. Die Beimpfung mit bestimmten Bakteriengemeinschaften als Probiotika ist daher eine attraktive Strategie zur Sicherung der Pflanzengesundheit. Um sicherzustellen, dass diese Inokula effektiv sind, ist es entscheidend zu verstehen, wie Bakterien und Pflanzen unter verschiedenen Bedingungen miteinander interagieren.

Das Team um Stéphane Haquard vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln wusste aus vorherigen Experimenten, dass Bakterien, die in der pflanzlichen Mikrobiota vorkommen, entweder neutral oder förderlich sind, wenn sie mit der Ackerschmalwand interagieren. Einige wenige sind jedoch schädlich, wenn sie unter Laborbedingungen zusammen mit Pflanzen kultiviert werden, darunter Pseudomonas brassicacearum R401, ein gramnegatives Bakterium, das im Boden vorkommt und ein dominantes Mitglied der Pflanzenmikrobiota ist. Überraschenderweise wurde jedoch keine Krankheit beobachtet, wenn dieses Bakterium zusammen mit Pflanzen unter natürlichen Bodenbedingungen kultiviert wurde. Dies deutet darauf hin, dass das Bakterium bestimmte Bedingungen benötigt, um Krankheiten bei Pflanzen im Boden hervorzurufen.

Einige frühere Berichte hatten gezeigt, dass Salzstress die bakterielle Infektion von Pflanzen erleichtern kann. In der Tat stellten die Wissenschaftler:innen bei der Anwendung von Salz fest, dass das Pflanzenwachstum in Gegenwart des R401-Stammes negativ beeinflusst wurde. Viele gramnegative Bakterien werden virulent, indem sie krankheitsverursachende Proteine direkt in das Zytoplasma der Wirtszelle injizieren. Bei der Untersuchung des R401-Genoms konnten jedoch keine Gene gefunden werden, die für diesen Injektionsapparat kodieren. Außerdem überwuchern viele pathogene Bakterien ihren pflanzlichen Wirt und wenden Strategien an, um die Immunreaktionen der Pflanzen zu dämpfen. Auch hier tat R401 nichts von alledem.
Um zu verstehen, wie der R401-Stamm Krankheiten bei Pflanzen im Boden verursacht, die unter Salzstress stehen, arbeiteten Hacquard und sein Team mit der Naturstoffgruppe von Till Schäberle von der Justus-Liebig-Universität und dem Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie in Gießen zusammen.

Gemeinsam identifizierten die Forschenden Gene, die Ähnlichkeit mit Genen aus verwandten Bakterien aufweisen, die für phytotoxische Metaboliten kodieren. Sie isolierten den vorhergesagten Metaboliten, den sie als Brassicapeptin bezeichneten, und mutierten eines der für seine Synthese erforderlichen Kerngene. Diese Mutation reichte aus, um R401 in ein pflanzenfreundliches Bakterium zu verwandeln.
Bemerkenswerterweise konnten die Wissenschaftler:innen, nachdem sie die Verbindung in der Hand hatten, zeigen, dass allein Brassicapeptin in Verbindung mit hohem Salzgehalt ausreicht, um Pflanzenkrankheiten zu verursachen. Darüber hinaus war Brassicapeptin nicht nur für Ackerschmalwand giftig, sondern auch für Tomatenpflanzen, die unter Salzstress leiden, sowie für andere Mikroben.

Die Forschenden konnten zeigen, dass das Molekül, bestehend aus einem Fettsäureschwanz, der mit Aminosäuren verbunden ist, in der Lage ist, Poren in Membranen zu bilden. Dies könnte erklären, warum die Toxizität des Moleküls erst bei Salzstress für die Pflanzen sichtbar wird.

Till Schäberle ist begeistert von den Möglichkeiten, die sich aus dieser Studie für die Verbesserung der Pflanzengesundheit ergeben: „Es ist wichtig, dass wir mehr darüber lernen, wie die von Mikroben produzierten Naturstoffe die Pflanzenphysiologie beeinflussen. Dies wird es uns ermöglichen, wirksame Biologika für den Pflanzenschutz zu entwickeln.“

Stéphane Hacquard fand es bemerkenswert, dass „ein einziges bakterielles Molekül gleichzeitig Pflanzen für osmotischen Stress sensibilisieren, die bakterielle Fähigkeit zur Besiedlung von Wurzeln fördern und das Wachstum von bakteriellen und pilzlichen Konkurrenten behindern kann.“

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Stéphane Hacquard
Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung
mail: hacquard@mpipz.mpg.de
phone: +49 221 5062-322

Originalpublikation:

https://www.nature.com/articles/s41467-024-48517-5
DOI: 10.1038/s41467-024-48517-5

https://www.mpipz.mpg.de/pr-hacquard-2024-05-de