Eine Bakterienart, die Maispflanzen infiziert, zwingt ihre Wirte dazu, ein Festmahl an Nährstoffen zu produzieren, das die Krankheitserreger am Leben und Gedeihen hält, lange bevor sie beginnen, die Zellen der Pflanze abzutöten, laut neuer Forschung von Irene Gentzel und Kollegen. Die Studie an jungen Maispflanzen zeigt, dass diese Bakterien in den von ihnen bewohnten Nutzpflanzen nicht nur Nahrung für sich selbst erzeugen, sondern den Pflanzen auch lebenserhaltendes Wasser entziehen.

Obwohl die Laborbedingungen nicht genau das widerspiegeln, was auf dem Feld passiert, liefert die Forschung Einblicke in grundlegende Prozesse, die für die Fähigkeit eines Krankheitserregers von zentraler Bedeutung sind, eine in den zentralen und nordöstlichen USA weit verbreitete Maiskrankheit namens Stewarts Welke zu verursachen. Diese Bakterien verursachen auch Probleme für Reis- und Jackfruchtkulturen in Teilen der östlichen Hemisphäre.

Durch die Bestätigung, dass ein bakterieller Virulenzfaktor, ein Protein namens WtsE, die Mobilisierung von Nahrung und Wasser in Räume initiiert, in denen sich die Bakterien befinden, legt die Studie den Grundstein für die zukünftige Züchtung von Pflanzen, die diese bakteriellen Überlebenstaktiken bremsen können. Aktuelle Züchtungspraktiken bei Mais basieren auf früheren Forschungen, die sich darauf konzentrierten, die Immunantwort der Pflanzen auf diese infektiösen Bakterien, eine Art, die als bekannt ist, zu stärken Pantoea Stewartii.

In ihrem Artikel schreiben Gentzel und Kollegen: „Neben der Wasserverfügbarkeit ist die Aufnahme von Nährstoffen entscheidend für das Wachstum von Pflanzenpathogenen. Während der Biotrophie erhalten einige Pilz- und Oomyceten-Pathogene Nährstoffe durch die Bildung von Haustorien, Nahrungsstrukturen, die durch Einstülpungen in lebende Pflanzenzellen einen engen Kontakt herstellen. Nekrotrophe Krankheitserreger hingegen beziehen Nährstoffe aus absterbenden und abgestorbenen Pflanzenzellen. Bei hemibiotrophen Bakterien ist unklar, ob die im Apoplasten einer nicht infizierten Pflanze verfügbaren Nährstoffe ausreichen, um das hohe Maß an Proliferation zu unterstützen, das während der biotrophen Phase der Infektion beobachtet wird, die vor der Nekrose auftritt.“

Die Wissenschaftler untersuchten, ob Bakterien nicht nur versuchten, mit biochemischen Mitteln die Pflanzenabwehr zu unterdrücken, sondern auch die Zufuhr von Nährstoffen zu den Krankheitserregern zu fördern.

Hauptautor der Studie und Professor für Gartenbau und Nutzpflanzenwissenschaften an der Ohio State University, David Mackey sagte in eine Pressemitteilung, „Niemand hat zuvor gezeigt, dass ein dynamischer Nährstofffluss von der Pflanze zu den Bakterien die Vermehrung der Bakterien in den Anfangsstadien der Infektion unterstützt. Unsere Ergebnisse zeigen einen bakteriellen Fressrausch.“

„Es gab keine gezielten Bemühungen zur Kontrolle der Nährstoffverfügbarkeit als Mittel zur Kontrolle Pantoea Stewartiioder andere pflanzenpathogene Bakterien, die für ihre Virulenz auf Proteine ​​angewiesen sind, die WtsE ähnlich sind. Dies eröffnet uns die Möglichkeit, den Mechanismus zu untersuchen, wie WtsE dies erreicht. Wie manipuliert es die Pflanzenzellen?“

Die Forschung, veröffentlicht in Cell Host & Microbe, konzentriert sich auf eine Phase namens Biotrophie: Nach der Infektion einer Pflanze parasitieren die Bakterien zunächst lebende Wirtszellen und vermehren sich dramatisch. Erst später beginnen die Bakterien, Pflanzenzellen abzutöten, um weitere Nährstoffe freizusetzen und Krankheiten zu verursachen.

Auf dem Feld tragen Kornflohkäfer Pantoea Stewartii und lagern die Bakterien an Wundstellen ab, die die Käfer verursachen, wenn sie sich von Pflanzenstielen und -blättern ernähren. Von diesen Stellen aus breiten sich Infektionen dann ungleichmäßig aus.

Für diese Studie infiltrierten Mackey und Kollegen Maiskeimlinge mit einer starken Dosis der infektiösen Bakterien, wodurch eine Reihe gleichmäßig infizierter Blätter entstand. Anhand dieses Modellsystems konnten die Forscher feststellen, dass die Freisetzung von Nährstoffen und Wasser dem Absterben von Pflanzenzellen vorausging.

Das Team konzentrierte sich auf die Beobachtung der Wirkungen von WtsE, einem Protein aus einer Klasse von Proteinen in pathogenen Bakterien, die als Typ-III-Effektoren bekannt sind. Diese Proteine ​​werden von den Bakterien in infizierte Pflanzenzellen transportiert, um sowohl die Pflanzenimmunität zu unterdrücken als auch, wie im Fall von entdeckt wurde Pantoea Stewartii, Förderung der Verfügbarkeit von Wasser und Nahrung.

All diese Aktivitäten finden im Apoplast statt, einem relativ trockenen Kompartiment im Inneren eines Pflanzengewebes, aber außerhalb der Pflanzenzellen. Diese Trockenheit ist relevant, weil einer der Tricks von WtsE darin besteht, die Verfügbarkeit von Wasser in diesem Raum zu fördern. Eine führende Hypothese war, dass dieser Zustand, der als „Wassereinweichung“ bezeichnet wird, darauf zurückzuführen ist, dass sterbende Pflanzenzellen ihren Inhalt in den Apoplasten verschütten, wenn Bakterien ihren tödlichen Angriff beginnen.

„Dies ist einer der wichtigsten Punkte, die wir gezeigt haben: Eine Infektion führt dazu, dass sich Wasser im Apoplasten ansammelt, lange bevor die Pflanzenzellen abgetötet werden. Es ist ein aktiver Prozess und vom WtsE-Effektor abhängig“, sagte Mackey.

Und dann, sobald er hydratisiert ist, beginnt sich der Apoplast mit Nährstoffen zu füllen, die als Stickstoff- und Kohlenstoffquellen für die Bakterien dienen – Zucker, Aminosäuren und organische Säuren, die in viel höheren Mengen erzeugt und verbraucht werden, als im Apoplasten einer gesunden Pflanze vorhanden sind .

Die Forscher bestätigten die massive Größe des Festmahls, indem sie die Bakterien von den Pflanzen entfernten und maßen, wie viel Kohlenstoff und Stickstoff sie in einem bestimmten Zeitraum aufgenommen hatten – was 6- bzw. 30-mal höher war als im Apoplasten einer nicht infizierten Pflanze.

"Es ist nicht so, dass die Bakterien angekommen sind und gegessen haben, was bereits vorhanden war", sagte Mackey. „Pflanzen geben Kohlenstoff- und Stickstoffquellen an den Apoplasten ab, wo sie von den Bakterien aufgenommen werden. Darüber hinaus reagieren die pflanzlichen Stoffwechselnetzwerke auf die Erschöpfung, indem sie mehr dieser Verbindungen herstellen. Es ist ein wirklich dynamischer Prozess und der WtsE-Effektor treibt diesen Prozess an.“

Die Rolle des Effektors wurde genetisch bestätigt – mutierte Bakterien, denen WtsE fehlt, waren nicht in der Lage, dieselben Aufgaben zu erfüllen. Mit diesen Erkenntnissen ist Mackeys Labor nun in der Lage, herauszufinden, wie WtsE Mais dazu zwingen kann, seinen Willen zu erfüllen – und insbesondere, welche Pflanzenproteine ​​der Effektor zur Hilfe entführt – was zukünftige resistente Züchtungspraktiken beeinflussen könnte.

URSPRÜNGLICHE FORSCHUNG

Gentzel, I., Giese, L., Ekanayake, G., Mikhail, K., Zhao, W., Cocuron, J.-C., Alonso, AP und Mackey, D. (2022) „Dynamische Nährstoffaufnahme von a hydratisierter Apoplast unterstützt die biotrophe Vermehrung eines bakteriellen Pathogens von Mais“, Cell Host & Microbe, https://doi.org/10.1016/j.chom.2022.03.017