Forscher analysieren Leistung von Bakterien bei der Bekämpfung von Kaffeerost

Eine neue Studie hat das Potenzial eines Bakteriums zur biologischen Kontrolle des Pilzes Hemileia vastatrix analysiert, der Kaffeerost verursacht, eine große Herausforderung für brasilianische Kaffeebauern. Ein Artikel über die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht BMC Mikrobiologie.

Die Symptome von Kaffeerost sind gelbe Flecken wie Brandflecken auf den Blättern der Pflanze. Die Krankheit beeinträchtigt die Photosynthese, lässt das Laub verdorren und verhindert, dass Bohnen produzierende Kirschen wachsen, bis der Baum einem Skelett ähnelt. Es wird typischerweise durch die Verwendung von Pestiziden auf Kupferbasis kontrolliert, die nachteilige Auswirkungen auf die Umwelt haben können.

„Dies war eine grundlegende wissenschaftliche Studie, in der wir uns vorgenommen haben, das Verhalten von Bakterien zu verstehen, die die Blätter von Kaffeebäumen bewohnen. Zunächst einmal gibt es mehrere Verbindungen, die für Bakterien schädlich sind und verwendet werden können, um sie anzugreifen“, sagte er Jorge Maurício Costa Mondego, letzter Autor des Artikels.

„Zweitens sind Blätter Umgebungen, die erheblichen Umweltbelastungen wie Sonnenlicht und Regen ausgesetzt sind. Wir wollten verstehen, wie Bakterien, die auf Kaffeeblättern leben, sowohl den von der Kaffeepflanze produzierten Verbindungen als auch den Belastungen durch Regen und Sonne standhalten können“, sagte er .

Neben dieser grundlagenwissenschaftlichen Front befasste sich die Studie auch mit angewandten wissenschaftlichen Herausforderungen. Die Forscher beschlossen herauszufinden, ob Bakterien, die Kaffeeblätter bewohnen, den Pilz bekämpfen können, der Kaffeerost verursacht. Der erste Schritt bestand darin, die exprimierten Sequenztags (ESTs) von Coffea arabica und C. canephora zu identifizieren, die vom brasilianischen Kaffeegenomprojekt (Projeto Genoma EST-Café) produziert wurden.

„Ich war neben Ramon Vidal, einem Professor am UNICAMP, der erste Autor eines Artikels, in dem wir die von C. arabica exprimierten Sequenzen zusammengestellt haben. Das war es veröffentlicht im Jahr 2011. Wir haben noch nicht in Begriffen der Metagenomik gedacht, aber das haben wir mehr oder weniger zufällig getan“, sagte Mondego.

Zufällige Metagenomik

Die Forscher fanden inmitten der Kaffeeblatt-ESTs Sequenzen, die sie für kontaminierend hielten. „Wir haben diese Sequenzen genommen, sie in die Datenbank eingespeist und sind zu dem Schluss gekommen, dass sie anscheinend von Pseudomonas spp stammen, einer Bakteriengattung“, sagte Mondego. „Das hat die Neugier unserer Forschungsgruppe geweckt, die von Gonçalo Pereira, ebenfalls Professor am UNICAMP, geleitet wurde. Wir haben uns gefragt: ‚Was wäre, wenn wir unabsichtlich Metagenomik betrieben hätten? Leben diese Bakterien wirklich von Kaffeeblättern?‘“

Mondego war zu diesem Zeitpunkt bereits Forscher am IAC. Einige Jahre später konnte er sich mit Leandro Pio de Sousa, dem Erstautor des in veröffentlichten Artikels, zusammenschließen BMC Mikrobiologie. Sousa war ein Student, der ein wissenschaftliches Initiationsstipendium hatte und jetzt einen Ph.D. in Genetik und Molekularbiologie von UNICAMP.

„Ich habe Leandro eingeladen, mit mir an dieser Studie zu arbeiten, die darauf abzielt zu sehen, ob Pseudomonas wirklich von Kaffeeblättern lebt. Wenn ja, würden die früheren Ergebnisse bestätigt. Er hat sofort zugestimmt“, sagte Mondego.

Sie isolierten Bakterien aus den Kaffeeblättern und brachten sie in ein Nährmedium. Unter ultraviolettem Licht ist es möglich, Pseudomonas zu charakterisieren, das lila aussieht und im Medium leicht selektiert werden kann. „Wir sammelten die Bakterien, extrahierten ihre DNA und sequenzierten eines, das wir MN1F nannten“, sagte er.

Sie machten mehrere interessante Entdeckungen über MN1F, das über ein Sekretionssystem verfügt, das seine Notwendigkeit widerspiegelt, in einer feindlichen Umgebung voller Pilze und anderer Bakterien zu überleben. „Das Sekretionssystem produziert antibakterielle und antimykotische Verbindungen. Das deutet darauf hin, dass es zur biologischen Kontrolle verwendet werden könnte“, sagte Mondego. Sie entdeckten auch eine Reihe von Proteinen, die mit dem Schutz vor Wasserstress in Verbindung gebracht werden.

Der nächste Schritt waren physiologische Experimente, bei denen Bakterien in verschiedenen Medien kultiviert wurden, um die Beobachtungen der Forscher zum Genom zu bestätigen. „Die biologischen Experimente haben mehrere Schlussfolgerungen bestätigt. Wir haben gezeigt, dass das Bakterium tatsächlich eine beträchtliche Fähigkeit hat, einem starken osmotischen Druck zu widerstehen, was als analog zu den Auswirkungen von Dürre auf Kaffeeblätter angesehen werden kann“, erklärte Mondego. „Darüber hinaus ist MN1F in der Lage, phenolische Verbindungen abzubauen, die für es schädlich sein können. Es baut diese Verbindungen aus der Pflanze ab und wandelt sie in Material für sein eigenes Überleben um.“

Die Forscher führten dann eine Reihe von Tests durch, um herauszufinden, ob MN1F zur biologischen Kontrolle verwendet werden könnte, um die Entwicklung von H. vastatrix, dem Pilz, der Kaffeerost verursacht, zu verhindern oder zu hemmen. Die Tests fanden unter Gewächshaus- und Laborbedingungen statt, einschließlich des Versuchs, die Keimung des Pilzes in vitro zu hemmen. In allen Experimenten erwies sich das Bakterium als in der Lage, die Entwicklung von Sporen (Fortpflanzungseinheiten) und Myzel (das fadenförmige Netzwerk, das das genetische Material des Pilzes enthält) zu hemmen.