Lebende Tote

Zwei auf einen Streich - Bakterien manipulieren Pflanzen und Insekten

17.04.2014 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Bei einer Phyllodie entwickeln sich anstelle von Blütenorganen Laubblätter. Die Pflanze wird steril. (Quelle: © SB_Johnny/wiki; CC BY-SA 3.0)
Bei einer Phyllodie entwickeln sich anstelle von Blütenorganen Laubblätter. Die Pflanze wird steril. (Quelle: © SB_Johnny/wiki; CC BY-SA 3.0)

Parasiten sind meistens nicht sehr nett zu ihren Wirten. Phytoplasmen tricksen mit nur einem einzigen Protein gleich zwei für ihre Vermehrung wichtige Organismen aus: ihre pflanzliche Herberge und ihren „Fernbus“, Pflanzensaft-saugende Zikaden.

Sie sind winzig klein, haben ein unvollständiges Genom und keine eigene Zellwand – und trotzdem manipulieren sie gleich zwei höhere Organismen, um ihr Überleben zu sichern. Phytoplasmen sind obligate Parasiten, also ohne ihren Wirt nicht lebensfähig, da ihnen wichtige Gene zur Aufrechterhaltung ihres Stoffwechsels fehlen. Sie wachsen im pflanzlichen Phloem, dem Siebteil im Leitbündel bei Gefäßpflanzen, und werden von Phloem saugenden Insekten wie Zikaden von Pflanze zu Pflanze getragen.

Das geschieht folgendermaßen: Wenn die Zikaden infiziertes Pflanzenmaterial essen, kolonisieren diese zellwandfreien Bakterien die Insekten und deren Speicheldrüsen. Verliert die Zikade beim Aussagen einer anderen Pflanze etwas Speichel, genügt das, damit sich die Phytoplasmen in ihrem neuen Wirt ausbreiten können. Damit die Übertragung von Pflanze zu Pflanze – ein überlebenswichtiger Vorgang für die Phytoplasmen - nicht dem Zufall überlassen beliebt, helfen die unscheinbaren Bakterien gezielt nach. Wie sie das bewerkstelligen, haben Wissenschaftler nun herausgefunden.

Lebendige Tote

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Zikaden transportieren Phytoplasmen von Pflanze zu Pflanze. Von grünen, blütenlosen Pflanzen lassen sie sich besonders gerne anlocken.

Zikaden transportieren Phytoplasmen von Pflanze zu Pflanze. Von grünen, blütenlosen Pflanzen lassen sie sich besonders gerne anlocken.

Bildquelle: © iStock.com/lnzyx

Wenn Pflanzen von den parasitären Bakterien befallen werden, verändern sich ihre Blüten zu blattähnlichen Gebilden. Ihre Blütenblätter bilden Chlorophyll und färben sich grün und bilden zahlreiche Triebe aus, deren Gestalt an einen Hexenbesen erinnert – ein Prozess, der als Phyllodie bezeichnet wird. Dabei verändert sich die Pflanze nicht nur optisch, sondern sie verliert auch ihre Fähigkeit, sich fortzupflanzen.

Dies zeigten Versuche an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. „Die Wirtspflanze sieht zwar noch lebendig aus, ist im evolutionären Sinne aber tot, weil sie sich nicht mehr fortpflanzen kann“, beschreiben die Wissenschaftler die Auswirkungen dieser Strategie für die Wirtspflanze. Für die Phytoplasmen spielt das jedoch keine Rolle, denn mit der Transformation ihrer Wirtpflanze verfolgen sie ein anderes Ziel: Die grüne, blütenlose Pflanze soll Pflanzensaft-saugende Insekten anziehen, die die Phytoplasmen zu ihrem neuen Wirt bringen.

Ein einziges Protein genügt

Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass die Bakterien ihren Wirt mit Hilfe eines einzigen Proteins mit dem kryptischen Namen SAP54 manipulieren. SAP54 interagiert mit dem Pflanzenprotein RAD23, welches die hochkonservierten Transkriptionsfaktoren des Proteasoms, dem zelleigenen Abfallbeseitigungsort, rekrutiert. Es markiert also Proteine, die beseitigt werden sollen. In diesem Fall sind die Zielmoleküle Proteine, die an der Blütenbildung beteiligt sind. Indem sie die Blüten ihrer Wirtspflanze zu blattähnlichen Gebilden umformen, locken die Phytoplasmen mehr Zikaden zur Eiablage an, wie die Wissenschaftler belegen konnten. Je mehr Zikaden eine Wirtspflanze besuchen, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit für die Phytoplasmen, durch die Insekten zu einer neuen Wirtspflanze transportiert zu werden und so ihr Überleben und ihre Vermehrung zu sichern.

Damit dieses System funktioniert, muss die Pflanze nicht einmal von Phytoplasmen bewohnt sein. Das Protein SAP54 alleine reicht offenbar aus, um die Insekten zur Eiablage auf die Pflanze zu locken, wie die Versuche demonstrierten.

Verbindung von pflanzlicher Entwicklung und Abwehrsystem?

„Das Faszinierende an unserer Entdeckung ist, dass die Bakterien ihre Wirtspflanze und die Insekten gleichzeitig mit ein und demselben Protein kontrollieren können“, so die Wissenschaftler. Die Forscher vermuten in dem von ihnen aufgedeckten Mechanismus außerdem eine Verbindung zwischen der pflanzlichen Entwicklung und ihrem Abwehrsystem – „eine Verbindung, die bisher niemand vermutet hat, die aber möglicherweise in vielen Pflanzen vorkommt“, schreiben sie.

Mit ihrer Studie tragen die Wissenschaftler zum Verständnis bei, wie andere Pflanzenparasiten wie beispielsweise Pilze die pflanzliche Entwicklung zu ihren Gunsten umprogrammieren. Sind die Mechanismen bekannt, lassen sich diese in der Landwirtschaft gezielt beeinflussen und so Ernteerträge sichern. Aber auch eine höhere Biomasseproduktion könnte durch einen analog induzierten Mechanismus bewirkt werden. Das eintreten in die generative Phase würde verhindert und gleichzeitig entstünden mehr wuchernde Verzweigungen.

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