Signal zum Angriff

Bevor pathogene Bakterien eine Pflanze infizieren, legen sie deren Immunsystem mit Hilfe spezieller Proteine lahm. Doch woher wissen Bakterien, ob sie sich auf einem Stein oder einer Pflanze befinden? Fünf Säuren spielen dabei eine entscheidende Rolle.

Bakterien können nicht nur bei Menschen und Tieren Krankheiten auslösen, sie sind auch in der Lage, Pflanzen zu infizieren. Pseudomonas syringae beispielsweise befällt zahlreiche ökonomisch bedeutsame Pflanzen wie die Tomate (Solanum lycopersicum), wo das Bakterium braune Flecken verursacht. Die Infektionsmaschinerie anzuwerfen kostet ein Bakterium viel Energie und lohnt nur dann, wenn die Aktion von Erfolg gekrönt ist. Woher Bakterien wissen, dass sie sich unmittelbarer Umgebung einer Pflanze befinden, ist eine Frage, die Wissenschaftler schon seit Jahren beschäftigt. Nun liegt eine Erklärung auf der Hand.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass Bakterien sowohl Zucker – und davon gibt es in Pflanzen aufgrund der Photosynthese ja einige – als auch fünf bestimmte Säuren gleichzeitig wahrnehmen müssen“, erklärt Studienleiter Scott Peck. „Das ist ein  Mechanismus für das Bakterium, mit dem es sicherstellt, in der Nähe eines Wirts zu sein, bevor es seinen Infektionsapparat anwirft.“

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Nach Erkennung der Pflanze wird Abwehrsystem lahmgelegt

Sobald die Bakterien diesen pflanzlichen Chemikaliencocktail wahrnehmen, bilden sie eine nadel-ähnliche Spritzenkonstruktion aus, mit der sie 20 bis 30 Proteine in die Pflanze injizieren. Auf diese Weise stoppen sie das pflanzliche Immunsystem. „Ohne eine funktionierende Abwehr können sich die Bakterien vermehren und die Pflanze weiter infizieren. Es sieht so aus, als würden diese chemischen Signale eine sehr große Rolle bei einer beginnenden Infektion spielen“, so Peck.

Fünf Säuren dienen als Erkennungsmerkmal

Pseudomonas syringae pv. tomato befällt nicht nur die Tomate, sondern dient auch als Modellpathogen für Untersuchungen an der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana). Bereits vor mehreren Jahren hatten die Wissenschaftler entdeckt, dass eine Arabidopsis Mutante mit dem kryptischen Namen mkp1 resistenter gegenüber einer Infektion von Pseudomonas syringae pv. Tomato sei als die Wildtyppflanzen. Nähre Untersuchungen zeigten, dass die Bakterien auf dieser Pflanze nicht in der Lage waren, ihre nadel-artige Konstruktion zur Injektion ihrer infektiösen Proteine  auszubilden. Um möglicherweise veränderte Signalmoleküle aufzuspüren, verglichen die Forscher die pflanzlichen Metaboliten von gesunden Arabidopsispflanzen mit denen der Mutante. Dabei identifizierten sie fünf Säuren, die wichtig für den Beginn der bakteriellen Infektion sind: Asparaginsäure, Zitronensäure, Pyroglutaminsäure, 4-Hydrobenzoesäure und Shikimisäure. Diese bioaktiven Verbindungen kamen in der Mutante in geringeren Mengen vor als im Wildtyp.

„Das Schlüsselexperiment war, der Mutante die Säuren wieder zuzuführen“, erklärt Peck. „Auf einmal war die Mutante nicht mehr resistent und die Bakterien konnten durch die injizierten Proteine das pflanzliche Immunsystem lahm legen.“

Wer infizieren will, muss schnell sein

Der erste Kontakt und die Wahrnehmung des Gegners scheinen darüber zu entscheiden, wer den Kampf um Infektion oder Gesundheit gewinnt. Produziert die Pflanze nur geringe Mengen der fünf Säuren, ist das offenbar ein Signal für die Bakterien, anzugreifen. Hohe Konzentrationen hingegen schrecken sie offenbar ab. „Wer den Kampf gewinnt oder verliert entscheidet sich meist während der ersten zwei bis sechs Stunden. Ist das Bakterium zu langsam, wenn es das Immunsystem der Pflanze ausschaltet, kann die Pflanze die Infektion abwehren“, erklärt Peck, und diese Erkenntnis könnte weitreichende Folgen haben: „In Zukunft werden wir möglicherweise eine ganz neue Art antimikrobieller Verbindungen herstellen können, die nicht darauf abzielen, Bakterien abzutöten, sondern ihnen vielmehr ihre Virulenz nehmen, indem sie diese chemischen Signale blockieren. Dann kann sich das pflanzliche Immunsystem selbst helfen.“ Dieser Ansatz der Bakterienbekämpfung könnte in der Landwirtschaft zum Einsatz kommen.

Pecks Team vermutet, dass auch andere Bakterien auf diese Signalsäuren reagieren. Ob das tatsächlich der Fall ist, sollen weitere Versuche klären. Auch die Frage, ob durch diese Pflanzenchemikalien vorbereiteten Bakterien eventuell virulenter für den menschlichen Organismus sind, wollen die Wissenschaftler untersuchen.