Mikrobielle Geheimnisse: Pflanzenwachstum mit der Kraft von Bodenbakterien fördern

Um gesund zu bleiben, müssen Pflanzen ihre Energie zwischen Wachstum und der Abwehr schädlicher Bakterien ausbalancieren. Die Mechanismen hinter diesem Gleichgewicht blieben bisher weitgehend rätselhaft.

Bodenbakterien: Der unerwartete Schlüssel zur Pflanzenimmunität

Ingenieure der Princeton University haben nun eine Antwort an einem unerwarteten Ort gefunden: in den harmlosen oder manchmal sogar nützlichen Bakterien, die sich um die Wurzeln von Pflanzen ansiedeln.

In einem Artikel, der am 24. Dezember in der Fachzeitschrift Cell Reports veröffentlicht wurde, zeigten Forscher, dass bestimmte Arten von Bodenbakterien das Gleichgewicht von Wachstum und Abwehr bei Pflanzen beeinflussen können. Die Bakterien produzieren ein Enzym, das die Immunaktivität der Pflanze verringern und es den Wurzeln ermöglichen kann, länger zu wachsen, als es sonst der Fall wäre.

„Wir versuchen hier, eine wirklich große biologische Frage zu beantworten, auf die es bislang keine guten Antworten gibt – nämlich, wie Mikrobiome mit den Immunsystemen ihrer Wirte interagieren“, sagte der Hauptautor der Studie, Jonathan Conway, Assistenzprofessor für chemische und biologische Verfahrenstechnik. „Es ist ein kleiner Schritt in Richtung eines besseren Verständnisses darüber, wie Mikroben ständig auf Wirten – seien es Pflanzen, Menschen oder andere Tiere – leben, ohne unsere Immunantworten dauerhaft auszulösen.“

Auf der Suche nach immunregulierenden Bakterien

Das Team von Conway wandte sich an Pflanzen, die so konstruiert wurden, dass sie eine verstärkte Immunantwort auf ein Protein zeigen, das die fadenförmigen Fortsätze, sogenannte Flagellen, bildet, mit denen sich Bakterien fortbewegen. Das Protein, aus dem Flagellen bestehen, genannt Flagellin, ist ein starker Auslöser von Immunreaktionen bei Wirten, von Pflanzen bis hin zu Menschen.

Das Arabidopsis-Experiment

Die Forscher zogen Sämlinge von Arabidopsis – einer kleinen Pflanze aus der Familie der Kreuzblütler, die häufig in der Pflanzenforschung verwendet wird – aus einer Linie, die so konstruiert wurde, dass ihre Wurzeln hohe Mengen eines Flagellin-erkennenden Immunrezeptors produzieren. Wenn die Sämlinge auf Platten wuchsen, die das Stück Flagellin enthielten, das diesen Rezeptor aktiviert, waren ihre Wurzeln kurz und stämmig, da ihre Energie eher in die Immunabwehr als ins Wachstum floss.

Das Experiment bestand darin, die Sämlinge auf Platten mit Flagellin sowie mit 165 verschiedenen Bakterienarten zu kultivieren, die aus den Wurzeln von im Boden wachsenden Arabidopsis-Pflanzen isoliert wurden. 68 dieser Isolate, also 41 %, unterdrückten die Wachstumshemmung, indem sie die Immunreaktion der Pflanzen abschwächten und ihren Wurzeln ermöglichten, länger zu wachsen.

Eine der Bakterienarten, die das Wurzelwachstum am stärksten förderte, war Dyella japonica. Frühere Arbeiten hatten gezeigt, dass die immunmodulierende Aktivität dieser Spezies von einem bakteriellen Sekretionssystem abhängig war – einem Proteinkomplex, der Substanzen aus Bakterienzellen in die Umgebung transportieren kann, einschließlich in Pflanzenzellen oder die Räume zwischen ihnen.

Ein Scan des Genoms von D. japonica enthüllte ein Gen, das für ein sezerniertes Enzym namens Subtilase kodiert, mit der potenziellen Fähigkeit, Flagellin in kleine Stücke zu zerschneiden und so dessen Aktivierung der Immunreaktion zu verhindern.

Das Team nutzte genetische und biochemische Methoden, um nachzuweisen, dass das Subtilase-Enzym tatsächlich in der Lage war, das spezifische Segment von Flagellin abzubauen, das die Immunreaktion auslöst. Dieser Abbau war ausreichend, um die Immunreaktion zu dämpfen und das Wachstum von Arabidopsis-Sämlingen zu fördern.

Die Forscher stießen jedoch auf Schwierigkeiten, als sie versuchten, das Subtilase-Enzym zu reinigen, sagte Samuel Eastman, Mitautor der Studie und Postdoktorand in Conways Labor. Reines Protein zu erhalten, ist entscheidend, um die Funktion eines Enzyms in einem Reagenzglas eindeutig nachzuweisen.

Im Jahr 2023 präsentierte Eastman ein Poster zu diesem Projekt auf einer Konferenz in Providence, Rhode Island, und wurde von Todd Naumann angesprochen, einem Chemiker vom Agricultural Research Service des USDA in Peoria, Illinois. Naumann sagte, seine Erfahrungen deuteten darauf hin, dass das Enzym aus Hefezellen und nicht aus Bakterien gereinigt werden könnte.

Innerhalb weniger Monate hatte Naumann das Protein gereinigt und nach Princeton geschickt. „Jetzt können wir damit chemisch arbeiten und es tatsächlich in vitro untersuchen“, sagte Eastman. „Wir können ein Untersuchungsniveau für dieses Protein erreichen, das ohne diese Zusammenarbeit nicht möglich gewesen wäre.“

Naumann ist Mitautor der Studie, zusammen mit acht weiteren Forschern aus Princeton, darunter Eastman und Conway. Der Prozess des Screenings und der Verifizierung der 165 bakteriellen Isolate war eine zeitaufwändige Teamarbeit, und sechs Studierende der Bachelor-Stufe spielten eine zentrale Rolle in diesem und anderen Aspekten der Arbeit, so Conway. Britley Jones, Mitglied der Princeton-Abschlussklasse von 2023, übernahm eine Schlüsselrolle beim Screening der Bakteriensammlung im Rahmen ihrer Abschlussarbeit.

Eastman teilt sich die Hauptautorenschaft der Studie mit der Postdoktorandin Ting Jiang und Kaeli Ficco, einer Princeton-Absolventin des Jahrgangs 2024, die mittlerweile Doktorandin an der Cornell University ist. Im Rahmen ihrer Abschlussarbeit half Ficco, mutierte Bakterienstämme zu entwickeln, die eine genetische Abhängigkeit des Subtilase-Gens für die Immunsuppression nachwiesen, und entwickelte einige der experimentellen Methoden selbst.

„Mir hat besonders gefallen, wie sehr das Projekt auf Entdeckungen basierte“, sagte Ficco. „Das hat meinen Weg nach Princeton definitiv beeinflusst.“ Jetzt untersucht sie die Regulierung des Immunsystems durch das menschliche Mikrobiom.

Gleichgewicht zwischen landwirtschaftlicher Anwendung und Pflanzengesundheit

Neben der Analyse des spezifischen Enzyms, das von D. japonica produziert wird, fand das Team heraus, dass ähnliche Gene in vielen gängigen Bodenbakterien vorkommen. Ihre Tests zeigten, dass Dutzende von bakteriellen Isolaten in der Lage sind, die durch Flagellin ausgelöste Immunität zu unterdrücken.

Das Team möchte nun besser verstehen, warum diese Enzyme sowohl für die Bakterien als auch für ihre Pflanzenwirte vorteilhaft sein könnten. Eine Hypothese ist, dass das Zerschneiden der Flagellen von Pathogenen deren Bewegungsfähigkeit verhindert und somit das Eindringen in die Pflanzenwurzeln erschwert.

„In dieser Hinsicht könnten sie sowohl Pathogene als auch das Immunsystem der Pflanze unterdrücken“, erklärte Eastman. Eine alternative Hypothese ist, dass diese Enzyme „das Immunsystem so stark unterdrücken, dass ein Pathogen möglicherweise unentdeckt bleibt und mehr Krankheiten verursacht, als es sonst der Fall wäre.“

Letzteres Szenario wäre problematisch, wenn man dieses Phänomen nutzen wollte, um das Wachstum in der Landwirtschaft zu verbessern, da es die Pflanzen anfälliger für Krankheiten machen könnte. Weitere Studien seien daher erforderlich, sagte Eastman.

„Wir wollen das Immunsystem nicht gefährden, aber wir möchten auch, dass Pflanzen diese Immunantwort für wirklich wichtige Situationen aufheben“, fügte er hinzu. „Sie sollen ruhig bleiben und weiterwachsen.“

Originalquelle: Princeton Engineering News

Originalpublikation:
Samuel Eastman, Ting Jiang, Kaeli Ficco, Chao Liao, Britley Jones, Sarina Wen, Yvette Olivas Biddle, Aya Eyceoz, Ilya Yatsishin, Todd A. Naumann, Jonathan M. Conway
Journal: Cell Reports
Artikel: A type II secreted subtilase from commensal rhizobacteria cleaves immune elicitor peptides and suppresses flg22-induced immune activation
Veröffentlichungsdatum: 24. Dezember 2024
DOI: 10.1016/j.celrep.2024.115063

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Quelle: EurekAlert!