Bestimmte Bakterien vollführen einen Trick, der Pflanzen gesund halten könnte

Um gesund zu bleiben, müssen Pflanzen die Energie, die sie in das Wachstum stecken, mit der Energie ausgleichen, die sie zur Abwehr schädlicher Bakterien aufwenden. Die Mechanismen hinter diesem Gleichgewicht sind weitgehend rätselhaft geblieben. Jetzt haben Ingenieure in Princeton an einem unerwarteten Ort eine Antwort gefunden: die harmlosen – oder manchmal nützlichen – Bakterien, die sich um die Wurzeln von Pflanzen sammeln.

In einem Artikel veröffentlicht im Tagebuch ZellberichteForscher haben gezeigt, dass einige Arten von Bodenbakterien das Gleichgewicht von Wachstum und Abwehr einer Pflanze beeinflussen können. Die Bakterien produzieren ein Enzym, das die Immunaktivität einer Pflanze schwächen und dafür sorgen kann, dass ihre Wurzeln länger wachsen, als dies sonst der Fall wäre.

„Hier geht es darum, eine wirklich große biologische Frage zu beantworten, auf die es keine guten Antworten gibt – wie Mikrobiome mit dem Immunsystem des Wirts interagieren“, sagte der leitende Studienautor Jonathan Conway, Assistenzprofessor für Chemie- und Biotechnik. „Es ist ein kleiner Schritt in die Richtung, zu verstehen, wie Mikroben ständig auf Wirten – seien es Pflanzen, Menschen oder andere Tiere – leben und nicht ständig unsere Immunantworten aktivieren.“

Um nach immunausgleichenden Bakterien zu suchen, wandte sich Conways Team an Pflanzen, die so konstruiert wurden, dass sie eine verstärkte Immunantwort auf ein Protein haben, das die fadenförmigen Anhängsel namens Flagellen bildet, die den Bakterien das Schwimmen ermöglichen. Das Protein, aus dem Flagellen bestehen, das sogenannte Flagellin, ist ein starker Auslöser von Immunantworten in Wirten, von Pflanzen bis hin zu Menschen.

Die Forscher züchteten Setzlinge von Arabidopsis – einer kleinen Pflanze aus der Familie der Senfpflanzen, die häufig in der Pflanzenforschung verwendet wird – aus einer Linie, die so konstruiert wurde, dass sie in ihren Wurzeln hohe Mengen an Flagellin-empfindlichen Immunrezeptoren produziert. Wenn die Sämlinge auf Platten gezüchtet werden, die das Stück Flagellin enthalten, das diesen Rezeptor aktiviert, sind die Wurzeln kurz und stumpf, da ihre Energie mehr auf die Immunität als auf das Wachstum gerichtet ist.

Das Experiment umfasste das Züchten der Sämlinge auf Platten mit Flagellin sowie mit 165 verschiedenen Bakterienarten, die aus den Wurzeln von im Boden gewachsenen Arabidopsis isoliert wurden. Von diesen Isolaten unterdrückten 68 (41 %) die verkümmerte Wachstumsreaktion, indem sie die Immunität der Pflanzen unterdrückten und ihre Wurzeln länger wachsen ließen.

Eine der Bakterienarten, die den Wurzeln das beste Wachstum ermöglichten, war Dyella japonica. Frühere Arbeiten hatten gezeigt, dass die immunmodulierende Aktivität dieser Art von einem bakteriellen Sekretionssystem abhängt – einem Proteinkomplex, der Substanzen aus Bakterienzellen in die Umwelt transportieren kann, einschließlich innerhalb von Pflanzenzellen oder den Räumen zwischen Pflanzenzellen.

Ein Scan des Genoms von D. japonica ergab ein Gen, das für ein abgesondertes Enzym namens Subtilase kodiert und möglicherweise die Fähigkeit besitzt, Flagellin in kleine Stücke zu zerhacken und es an der Aktivierung der Immunantwort zu hindern.

Das Team nutzte sowohl genetische als auch biochemische Methoden, um zu zeigen, dass das Subtilase-Enzym tatsächlich in der Lage war, das spezifische Segment des Flagellins abzubauen, das die Immunantwort auslöst. Der Abbau reichte aus, um die Immunantwort einzudämmen und ein gesteigertes Wachstum der Arabidopsis-Keimlinge zu ermöglichen.

Beim Versuch, das Subtilase-Enzym zu reinigen, stießen die Forscher auf einige Probleme, sagte Samuel Eastman, einer der Erstautoren der Arbeit und Postdoktorand in Conways Labor. Um die Funktion eines Enzyms im Reagenzglas eindeutig nachzuweisen, ist die Gewinnung von reinem Protein unerlässlich.

Im Jahr 2023 präsentierte Eastman auf einer Konferenz in Providence, Rhode Island, ein Poster zu dem Projekt und wurde von Todd Naumann, einem Chemiker beim Agricultural Research Service des USDA in Peoria, Illinois, angesprochen. Naumann sagte, seine Erfahrung lege nahe, dass das Enzym aus Hefezellen und nicht aus Bakterien gereinigt werden könne.

Innerhalb weniger Monate hatte Naumann das Protein gereinigt und nach Princeton verschifft.

„Jetzt können wir damit Chemie betreiben und uns das tatsächlich in vitro ansehen“, sagte Eastman. „Wir sind in der Lage, dieses Protein auf einem Niveau zu untersuchen, das ohne diese Zusammenarbeit nicht möglich gewesen wäre.“

Naumann ist neben Eastman und Conway zusammen mit acht weiteren Princeton-Forschern Co-Autor des Artikels. Der Prozess des Screenings und der Verifizierung von 165 Bakterienisolaten war eine langwierige Teamarbeit, und sechs Studenten waren maßgeblich an diesem und anderen Aspekten der Arbeit beteiligt, sagte Conway. Britley Jones, ein Mitglied des Princeton-Jahrgangs 2023, spielte im Rahmen ihrer Abschlussarbeit eine Schlüsselrolle beim Screening der Bakteriensammlung.

Eastman teilt sich die Hauptautorenschaft des Papiers mit der Postdoktorandin Ting Jiang und Kaeli Ficco, einer Princeton-Absolventin von 2024, die jetzt promoviert. Student an der Cornell University. Im Rahmen ihrer Dissertation half Ficco bei der Entwicklung mutierter Bakterienstämme, die einen genetischen Bedarf für das Subtilase-Gen bei der Immunsuppression zeigten, und entwickelte selbst einige der experimentellen Methoden.

„Mir gefiel wirklich, wie entdeckungsbasiert das Projekt war“, sagte Ficco. „Das hat definitiv meinen Werdegang nach Princeton beeinflusst.“ Jetzt beginnt sie mit Studien zur Regulierung der Immunität durch das menschliche Mikrobiom.

Über die Analyse des von D. japonica produzierten spezifischen Enzyms hinaus stellte das Team fest, dass ähnliche Gene in vielen verbreiteten Bodenbakterien vorkommen, und ihre Tests zeigten, dass Dutzende von Bakterienisolaten die Flagellin-induzierte Immunität unterdrücken können.

Nun möchten sie besser verstehen, warum diese Enzyme sowohl für Bakterien als auch für ihre pflanzlichen Wirte von Vorteil sein könnten. Eine Hypothese besagt, dass das Zerhacken der Geißeln von Krankheitserregern verhindert, dass diese sich bewegen und in die Wurzeln einer Pflanze eindringen.

„Auf diese Weise könnte es sowohl Krankheitserreger als auch das pflanzliche Immunsystem unterdrücken“, sagte Eastman. Eine alternative Hypothese ist, dass diese Enzyme „das Immunsystem unterdrücken, so dass ein Krankheitserreger möglicherweise unentdeckt bleiben und mehr Krankheiten verursachen könnte, als dies sonst der Fall wäre.“

Im letztgenannten Szenario wäre es problematisch, dieses Phänomen zur Verbesserung des Wachstums in der Landwirtschaft zu nutzen, da es Pflanzen anfälliger für Krankheiten machen könnte. Daher seien weitere Studien erforderlich, sagte Eastman.

„Wir wollen das Immunsystem nicht gefährden, aber wir wollen auch, dass Pflanzen diese Immunantwort für den entscheidenden Moment speichern“, sagte er. „Wir wollen, dass sie Ruhe bewahren und weiter wachsen.“