Nützliche Bakterien ein zweischneidiges Schwert

Alfalfa, im Lateinischen auch als Medicago sativa bekannt, ist eine landwirtschaftliche Nutzpflanze, die zur Familie der Hülsenfrüchte gehört. Es ist als proteinreiche Nahrungsquelle für Milchvieh bekannt, die leicht verdaulich ist und zu einer erhöhten Milchproduktion führen kann. Das sind gute Nachrichten, wenn Sie ein Fan von Eiscreme oder anderen Milchprodukten sind.

Luzerne kann jedoch anfällig für häufige Pilzkrankheiten sein, wie z. B. Frühjahrsschwarzstamm oder Wurzelfäule, die die Ernteerträge einschränken können.

Ein kürzlich veröffentlichtes Papier in Pflanzen Der Pflanzenbiologe Harsh Bais von der University of Delaware und die Postdoktorandin Amanda Rosier haben gezeigt, dass UD1022, ein UD-patentiertes nützliches Bakterium, Luzernepflanzen vor Pilzpathogenen schützen kann, die Pflanzenkrankheiten verursachen.

Die von UD patentierte Mikrobe UD1022 ist ein einzigartiger Stamm von Bacillus subtilis, einem natürlichen, nützlichen Bakterium, das auf der Oberfläche von Wurzeln und dem umgebenden Boden oder der Rhizosphäre lebt. UD1022 ist als Wachstumsförderer bekannt, der Pflanzen dabei helfen kann, kräftig zu gedeihen. Es wird auch als Pflanzenschutz angesehen, da es Pflanzen hilft, eine systemweite Resistenz zu entwickeln, wenn sie von einem dieser mikroskopisch kleinen Krankheitserreger angegriffen werden.

Rosier, die Hauptautorin der Veröffentlichung, wusste aus früheren Arbeiten, dass UD1022 vorteilhaft für Hülsenfrüchte wie Erbsen und Linsen ist. Sie fragte sich, ob UD1022 der Luzerne helfen würde, häufige Pilzkrankheiten abzuwehren. Also provozierte sie im Labor vier verschiedene Pilzpathogene mit UD1022, um zu sehen, ob es den Pilz daran hinderte, die Luzerne zu infizieren. Es tat.

Rosier sagte, sie dachte, es liege daran, dass Bacillus subtilis wie UD1022 ein Molekül namens Surfactin produzieren, das als Antibiotikum wirkt und die Pilzresistenz der Pflanze erhöht. Um diese Theorie zu testen, entfernte sie das Gen in UD1022, das dieses Antibiotikum produziert, und testete dann die modifizierten UD1022-Bakterien und die Pilzstämme erneut. Rosier fand heraus, dass UD1022 ohne das Gen zur Produktion von Surfactin die Fähigkeit verlor, als Breitband-Antimykotikum zu wirken. Weitere Experimente zeigten, dass Biofilme – dicke, zuckerhaltige Beschichtungen, die Mikroben helfen, an Pflanzen zu haften – auch eine Rolle bei der Fähigkeit von UD1022 spielen, bei einigen Arten Krankheitserreger von Alfalfa-Pilz zu unterdrücken.

Das sind gute Neuigkeiten und könnten den Weg für weitere Pflanzen- und Feldstudien ebnen, um dieses antagonistische Verhalten zu verstehen.

Rosier und Bais entdeckten jedoch, dass nicht alle Eigenschaften von UD1022 universell vorteilhaft sind. Tatsächlich sieht es so aus, als könnten die Beziehungen von UD1022 kompliziert sein, und der notorische Helfer der Pflanzen könnte sogar eine dunkle Seite haben.

Unfreundlich gegenüber Freunden und Feinden

UD1022 lebt auf der Oberfläche von Pflanzenwurzeln, wo es das Pflanzenwachstum fördern kann. Es hat sich als besonders hilfreich für einige Hülsenfrüchte erwiesen, die mit Rhizobium interagieren, einem guten Bakterium, das besondere Beziehungen zu Pflanzen der Erbsen- und Linsenfamilie eingeht.

Rhizobium-Bakterien leben in Knötchen an den Wurzeln der Pflanze und fixieren atmosphärischen Stickstoff, einen essentiellen Nährstoff, der für das Pflanzenwachstum entscheidend ist und normalerweise schwer zugänglich ist. Es ist eine symbiotische Beziehung, in der Pflanzen Stickstoff bekommen, um sich davon zu ernähren, und die Bakterien ein Zuhause bekommen.

UD1022 wurde von BASF lizenziert und in vier kommerzielle Produkte integriert, die bereits auf dem Markt sind und in den USA und Kanada verkauft werden. Ein erfolgreiches kommerzielles Produkt namens Nodulator Duo wird in den USA und Kanada verkauft und verwendet, um die Stickstofffixierung und die Pflanzengesundheit in Erbsen und Linsen zu fördern.

Früher drin arbeitenzeigte Rosier, dass knötchenbildende Bakterien wie Rhizobium eine Art von Kommunikation namens Quorum Sensing verwenden, bei der Signalmoleküle ähnliche Zellen in ihrer Gemeinschaft anrufen und ihnen sagen, dass sie die Pflanzenwurzeln besiedeln und helfen sollen, Stickstoff zu fixieren.

Das Forschungsteam stellte die Theorie auf, dass UD1022, da bekannt ist, dass es bei einigen Wechselwirkungen zwischen Linsen und Rhizobium so hilfreich ist, dieser Assoziation auch bei Luzerne zugute kommen könnte, indem es das Wurzelwachstum fördert und dem Rhizobium mehr Oberfläche zum Wachsen gibt.

„Aber als Amanda dieses Experiment durchführte, sahen wir tatsächlich ein negatives Ergebnis“, sagte Bais. Anstatt zu helfen, schadete UD1022 irgendwie der Verbindung zwischen der Pflanze und dem Rhizobium, und die Pflanzen schnitten nicht gut ab. Diese Arbeit zeigte, dass UD1022 diese Signalmoleküle effektiv zum Schweigen bringen kann, indem es diese Kommunikation unterbricht.

Dies veranlasste Rosier, etwas tiefer zu graben (ja, ein Bodenwortspiel), um diese Bakterien-Bakterien-Wechselwirkungen zwischen Rhizobium und UD1022 zu analysieren. Das Forschungsteam wusste, dass Rhizobium-Bakterien Chemikalien absondern, um mehr Bakterien zur Besiedelung der Wurzel anzuregen. Als Rosier UD1022 ohne die Pflanze direkt zu den Rhizobium-Bakterien hinzufügte, konnte es nicht wachsen.

In einem Pflanzenmethoden Papier Rosier, der letzten Herbst veröffentlicht wurde, beschrieb eine Methode zur Visualisierung dieser „Quorum-Erkennung“ mit bloßem Auge, wobei ein Werkzeug namens Biosensor verwendet wurde, um diese Kommunikationssignalmoleküle zu erkennen. Als der Biosensor feststellte, dass kommunikationssignalisierende Moleküle auf einer Petrischale vorhanden waren, wurde er blau. Je größer und dunkler der Blauanteil, desto mehr Kommunikationssignale waren vorhanden. Weniger Blau bedeutete weniger Kommunikationssignale.

Als sie der Alfalfa-Pflanze Rhizobium hinzufügte, bemerkte Rosier einen schönen blauen Fleck an der Wurzeloberfläche der Pflanze. Aber als Rosier sowohl das Rhizobium als auch das UD1022 zusammenfügte, verschwand der blaue Fleck fast vollständig. UD1022 sezernierte ein Molekül, das die Botschaft unterbrach, die das Rhizobium-Bakterium sendete, um seine eigene Art dazu zu bringen, die Pflanzenwurzeln zu besiedeln, um das Wachstum der Pflanze zu unterstützen. Dadurch war die Pflanze einem erhöhten Risiko ausgesetzt, da sie Stickstoff nicht richtig binden konnte.

„Wir haben also dieses nützliche Bakterium UD1022, das in einigen Fällen möglicherweise nicht so nützlich ist, wie wir es uns wünschen, also müssen wir vorsichtig sein, wie wir es anwenden“, sagte Rosier.

Kein Einheitsbrei

Zusammen veranschaulichen die beiden Veröffentlichungen das vielfältige Spektrum der funktionellen Reaktion mit pflanzenwachstumsfördernden Bakterien wie UD1022. Es ist keine Einheitsgröße.

Dies ist eine wichtige Information, da sich die Agrarindustrie in Richtung einer breiten Verwendung von Biostimulanzien bewegt, um das Wachstum und den Ertrag von Pflanzen zu fördern. Weitere Studien sind erforderlich, um zu verstehen, wie und wann diese nützlichen Bakterien im Feld angewendet werden sollen, sagte Rosier. Zum Beispiel ist es vielleicht am sinnvollsten, zuerst Rhizobium auszubringen, um das Wachstum zu unterstützen, und dann UD1022 später zur Schädlingsbekämpfung auszubringen.

Darüber hinaus, sagte Bais, könnte das Verständnis der Fähigkeit von UD1022, Kommunikationssignale in Krankheitserregern zu unterbrechen, auch Anwendungen für die menschliche Gesundheit haben. Beispielsweise sind Menschen mit Mukoviszidose immungeschwächt, wodurch sie einem erhöhten Risiko für im Krankenhaus erworbene Bakterien wie Lungenentzündung ausgesetzt sind. Pneumonie ist auch ein Bakterium, das Quorum Sensing nutzt, um Filme in der Lunge zu bilden, die Atembeschwerden verursachen.

„Viele menschliche Krankheitserreger verwenden die gleiche Strategie, um Virulenz oder Infektion zu verursachen“, sagte Bais. „Das Verständnis, wie UD1022 die Signalmoleküle durchtrennt, die für die Bildung des Films verantwortlich sind, könnte Hinweise auf neue Behandlungsansätze liefern, um die Gesundheit der Patienten zu erhalten.“