Forschung weist auf einen potenziellen neuen Verbündeten im Kampf gegen Pflanzenpathogene hin

Wenn wir über das Mikrobiom sprechen, denken die meisten von uns an die Billionen von Mikroorganismen, die in unserem Körper leben und alles von der Verdauung bis zur psychischen Gesundheit unterstützen.

Aber auch auf und in Pflanzen leben Mikroben. Und es gibt erste Belege dafür, dass diese verborgenen Bewohner eine Schlüsselrolle bei der Pflanzengesundheit spielen. Unter anderem helfen sie dem Immunsystem der Pflanzen, zu erkennen, welche Bakterien es angreifen und welche es tolerieren soll.

In einer neuen Studie haben Forscher herausgefunden, dass Störungen der Mikrobengemeinschaft, die in den Blättern einer dünnen Pflanze namens Arabidopsis lebt, die Fähigkeit der Pflanze beeinträchtigen können, harmlose von schädlichen Eindringlingen zu unterscheiden – wodurch sich das Verteidigungsarsenal der Pflanze effektiv gegen sie selbst richtet.

Die Erkenntnisse könnten letztendlich zu neuen Wegen führen, um unsere Nahrungsmittelversorgung zu sichern, sagt Sheng Yang He, Professor für Biologie an der Duke University und Hauptautor der Studie.

Die Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen schätzt, dass Pflanzenpathogene die Weltwirtschaft jedes Jahr rund 220 Milliarden Dollar kosten.

Die Forschung war veröffentlicht am 6. September in der Zeitschrift Natur Pflanzen.

In der Studie suchten He und seine Kollegen, darunter der Hauptautor Yu Ti Cheng, ein Postdoktorand im He-Labor, nach Genen, die an der Aufrechterhaltung des Gleichgewichts des Pflanzenmikrobioms beteiligt sind, wenn ihnen etwas Merkwürdiges auffiel.

Sie fanden heraus, dass Pflanzen mit einer Mutation in einem Gen namens TIP1 einen Überschuss an ansonsten harmlosen Bakterien in ihren Blättern hatten. Aber diese Pflanzen zeigten auch andere rätselhafte Symptome, sagte Cheng.

Zum einen waren sie im Vergleich zu ihren wilden Artgenossen klein und verkümmert. Und sie hatten abgestorbene Stellen auf ihren Blättern, die normalerweise auftreten, wenn Pflanzen gegen eine Infektion ankämpfen, obwohl keine „schlechten“ Bakterien vorhanden waren.

Cheng erkannte diese Symptome als Anzeichen eines gestörten Immunsystems: Die Abwehrkräfte der Pflanze legen trotz fehlender wirklicher Bedrohung los und greifen gesundes Gewebe an, statt es zu schützen.

Die Forscher fanden heraus, dass in den Zellen von Pflanzen mit der tip1-Mutation mehrere Abwehrgene aktiviert waren, obwohl sie gar nicht angegriffen wurden – ein Zeichen dafür, dass ihr Immunsystem auf Hochtouren läuft.

„Die Pflanzen sind noch immer in der Lage, sich zu verteidigen“, sagte Cheng. Sie hätten nur die Fähigkeit verloren, zwischen mikrobiellen Freunden und Feinden zu unterscheiden, fügte sie hinzu.

Wenn dieser Prozess schief läuft, können zuvor „gute“ Bakterien eine Überreaktion des Immunsystems hervorrufen, die kontraproduktiv ist.

„Der Gastgeber hält sich selbst für den Feind“, sagte Cheng.

Zunächst waren sich die Forscher nicht sicher, was die Ursache für die Fehlfunktion des Immunsystems der Pflanzen war. Doch sie fragten sich, ob das aus dem Gleichgewicht geratene Mikrobiom der Blätter ein Teil der Antwort war.

Um die Idee zu testen, züchteten sie Arabidopsis-Setzlinge mit und ohne Mikroorganismen und verwendeten dabei ein keimfreies Wachstumssystem, das in seinem Labor entwickelt wurde.

Und tatsächlich: Als die tip1-Mutantenpflanzen so gezüchtet wurden, dass sie frei von Mikroorganismen waren, verschwanden ihre mysteriösen Autoimmunprobleme nahezu.

„Das war unser Heureka-Moment“, sagten die Forscher.

Die gesundheitlichen Probleme, die entstehen, wenn das Mikrobiom des Körpers aus dem Gleichgewicht gerät, sind beim Menschen gut erforscht. So können beispielsweise Veränderungen in der Mikrobengemeinschaft in unserem Darm wurden verknüpft zu Autoimmunerkrankungen wie Morbus Crohn, Typ-1-Diabetes und Multipler Sklerose.

Aber die neuen Erkenntnisse, zusammen mit zwei früheren Studien aus dem He-Labor, die in 2020 Und 2023sei das erste Mal, dass bei Pflanzen ein Zusammenhang zwischen unausgeglichenen Mikrobiomen und Autoimmunität nachgewiesen werden konnte, sagte Cheng.

Der molekulare Mechanismus hinter dieser Verbindung ist noch unklar. Das TIP1-Gen kodiert ein Enzym namens S-Acyltransferase, dessen genetischer Code im Wesentlichen unverändert geblieben ist, während sich im Stammbaum des Lebens neue Arten von alten abgespalten haben. Das bedeutet, dass es auch bei anderen Arten eine Rolle dabei spielen könnte, das Gleichgewicht des Mikrobioms aufrechtzuerhalten.

Im nächsten Schritt versuchen die Forscher, das Molekül oder die Substanz zu identifizieren, an die das Enzym S-Acyltransferase bindet, und herauszufinden, wie es funktioniert.

Die Einzelheiten könnten letztlich den Weg für Präbiotika ebnen, die das Mikrobiom unterstützen oder zurücksetzen, um „den Pflanzen zu helfen, ein besseres Gleichgewicht aufrechtzuerhalten“ und Verluste bei Nahrungspflanzen durch Krankheitserreger oder Verderb zu verringern, sagte Cheng.

„Je mehr Wissen wir haben, desto mehr Werkzeuge können wir nutzen“, sagte sie.