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Wie Weizen eine Immunität gegen pathogene Bakterien entwickeln kann

Bakterielle Erkrankungen sind eine Bedrohung für Pflanzen wie für Mensch und Tier und stellen eine Gefahr für die Ernährungssicherheit dar. T-REX hat einen Mechanismus aufgedeckt, mit dem einige Weizensorten krankheitserregende Bakterien erkennen und so ihre Widerstandskraft erhöhen.

Lebensmittel und natürliche Ressourcen

Bakterielle Erkrankungen bei europäischen Nutzpflanzen betreffen vor allem Obstbäume und Gemüse, wobei sie Ernteerträge mindern und die Haltbarkeit der Produkte verkürzen. Die wohl schwerwiegendste ist Xylella fastidiosa, welche Olivenhaine zerstören kann. Bakterielle Erkrankungen werden oft durch das Besprühen der Pflanzen mit diversen Lösungen, wie beispielsweise Kupfer- und Zinksalzen, bekämpft, die oft nicht wirksam sind und ein Umweltproblem darstellen können. Mitunter wird versucht, eine Resistenz gegen Krankheiten aufzubauen, die jedoch nicht von Dauer ist, da Bakterienstämme die Resistenz in der Regel überwinden. Die meisten pathogenen Bakterien nutzen das sogenannte Typ-III-Sekretionssystem (T3SS), bei dem nadelartige Sonden Proteine in Pflanzenzellen injizieren, um sie anfälliger für die Bakterien zu machen. Um diesen Prozess zu verstehen, untersuchte das EU-finanzierte Projekt T-REX die Wechselbeziehungen von Weizensorten mit dem T3SS; da es ein integraler Bestandteil der bakteriellen Infektion ist, müsste die Fähigkeit von Weizen, es zu erkennen, eine lang anhaltende Immunität verleihen. T-REX nutzte das T3SS von Pseudomonas syringae – einem Bakterium, das Erkrankungen der Blätter und anderer Organe verursacht – um Proteine anderer Krankheitserreger in den Weizen zu injizieren. Das Team stellte fest, dass einige Weizensorten das T3SS erkennen können. „Als wir das Wachstum von P. syringae in T3SS erkennendem und T3SS nicht erkennendem Weizen verglichen, fanden wir Hinweise darauf, dass die Erkennung das bakterielle Wachstum um etwa einen Tag verzögerte“, sagt Projektkoordinator Hans Thordal-Christensen von der Universität Kopenhagen, dem Träger des Projekts. „Das war sehr spannend, denn die Erkennung von T3SS war bisher nur von Tieren bekannt.“ Diese Forschung wurde mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen durchgeführt.

Untersuchung der genetischen Assoziation

Das Forschungsteam von T-REX injizierte ein nicht-pathogenes Bodenbakterium, welches das T3SS künstlich exprimiert, in die Blätter von Weizenkulturen und beobachtete die Auswirkungen. Dabei stellten die Forschenden fest, dass bei einigen Sorten das Blattgewebe als Zeichen von Immunität innerhalb von 24 Stunden abstarb, während bei anderen nichts geschah. Dies deutet darauf hin, dass einige Kulturen das T3SS erkennen können. Um das Gen zu identifizieren, das für die T3SS-Erkennung verantwortlich ist, testete das Team 440 Kulturen der WAGTAIL-Sammlung mit derselben Methodik und fand heraus, dass ein Drittel der Kulturen das T3SS erkennt. Durch die Analyse von etwa 20 000 genetischen Unterschieden in diesen Kulturen war das Team in der Lage, das für die T3SS-Erkennung verantwortliche Gen auf den Chromosomen zu bestimmen. „Wir fanden heraus, dass diese Fähigkeit durch ein einziges Gen vermittelt zu werden scheint, das auf einem Chromosomenabschnitt mit etwa 10 Genen liegt. Um welches spezifische Gen es sich handelt, bleibt jedoch unklar“, merkt Thordal-Christensen an. Das Team wollte auch den Teil des T3SS identifizieren, den der Weizen erkennt. Da sich das T3SS aus 28 verschiedenen bakteriellen Proteinen zusammensetzt, besteht eine Möglichkeit, das entscheidende Protein zu finden, darin, die Proteine einzeln zu erzeugen und zu injizieren. „Wir haben viele der 28 T3SS-Proteine aus Escherichia coli gewonnen, aufgearbeitet und dann getestet, ob sie das Absterben von Blattgewebe verursachen. Leider haben wir das Schlüsselprotein noch nicht gefunden, sodass wir weiter forschen werden“, fügt er hinzu.

Das Spektrum erweitern

Indem T-REX das Wissen über Pflanzenkunde im Allgemeinen und Pflanzenimmunität im Speziellen erweitert, hilft es, den Weg zu einer ressourcenschonenden und umweltfreundlichen Landwirtschaft zu ebnen. „Wir können den Züchtern von Weizen raten, das 10-Gen-Chromosomensegment in Kulturen zu verwenden, um die Widerstandsfähigkeit gegen Pseudomonas-Bakterien zu verbessern, sowie genetische Marker bereitstellen, um zu bestätigen, dass sie das richtige Segment haben“, sagt Thordal-Christensen. „Sobald wir das spezifische Gen identifiziert haben, das dafür verantwortlich ist, hoffen wir, die Resistenz gegen Bakterien auch bei anderen Pflanzenarten verbessern zu können.“ Ein weiterer Forschungsschwerpunkt liegt darin, zu verstehen, wie Pathogeneffektoren das pflanzliche Immunsystem manipulieren. Das Team nutzt das bakterielle T3SS, um Effektorproteine in Pflanzenzellen einzuschleusen, und experimentiert dann damit, pflanzliche Effektorziele unempfindlich gegen diese zu machen und so die Immunität zu stärken.

Schlüsselbegriffe

T-REX, Immunität, Pathogen, Bakterium, Pseudomonas syringae, Kultur, Weizen, Gen, Chromosom, Krankheit, Typ III Sekretionssystem, T3SS

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23 Dezember 2016