Bakterien kapern Pflanzenabwehr

Im Boden lebende Heubakterien kommen Pflanzen zur Hilfe, wenn diese von Pathogenen angegriffen werden. Nun haben Forscher die dunkle Seite dieser Beziehung entdeckt: Die Bakterien setzen das Immunsystem der Pflanze außer Gefecht, um ihre eigene Verbreitung zu fördern.

Pflanzenwurzeln kommen unter der Erde mit einer Vielzahl von Bodenbakterien in Kontakt. Einige dieser Rhizobakterien schädigen die Pflanze (Pathogene), andere sind nützlich – sie verbessern die Wasser- und Nährstoffaufnahme der Pflanze, machen sie stresstoleranter oder unterstützen die pflanzliche Immunabwehr. Doch auch die „guten“ Bakterien arbeiten nicht immer zum Vorteil der Pflanze. In Experimenten mit Arabidopsis thaliana und dem Heubakterium Bacillus subtilis haben Forscher erstmals nachweisen können, dass das nützliche Bakterium die pflanzliche Abwehr zeitweise außer Gefecht setzen kann. Dieser Mechanismus war bisher nur bei pathogenen Bakterien bekannt. 

Der Fingerabdruck der Bakterien

Wenn Bakterien Pflanzen infizieren, hinterlassen sie sogenannte Mikroben-assoziierte molekulare Muster (MAMPs). Dies sind je nach Bakterium spezifische Sekrete, die von der Pflanze erkannt und von der pflanzlichen Immunabwehr spezifisch beantwortet werden. Schädliche bakterielle MAMPs wie das Phytotoxin Coronatin können das pflanzliche Immunsystem schwächen, indem sie bestimmte Signalwege blockieren. Aber die Pflanze setzt sich zur Wehr. Dabei verlässt sie sich nicht nur auf ihr eigenes Immunsystem, sie holt nützliche Bodenbakterien zur Hilfe. 

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SOS vom Spross in die Wurzel

In Experimenten haben die Forscher einzelne Blätter von Arabidopsis mit dem bakteriellen Peptid Flagellin bzw. dem pathogenen Coronatin des Krankheitserregers Pseudomonas syringae pv. Tomato infiziert. Die Pflanze erkannte die MAMPs und aktivierte bestimmte Abwehrgene in den Blättern. Das Flagellin bewirkte zudem eine Überexpression von Abwehrgenen in der Wurzel. Hierbei waren weitere Signalwege beteiligt. Das pathogene Coronatin unterdrückte diese Wurzelabwehr und schwächte damit die Pflanze. Gleichzeitig sendete die Pflanze ein SOS-Signal (Transporter ALMT1) von den infizierten Blättern in die Wurzeln. Dort wurde daraufhin verstärkt Apfelsäure produziert. Dies lockte nützliche Heubakterien an, für die Apfelsäure eine willkommene Nahrung ist. Je mehr dieser Bakterien die Wurzeln besiedelten, desto resistenter war die Pflanze gegenüber dem Krankheitserreger. Das nützliche Heubakterium konnte die negative Wirkung der pathogenen Bakterien abschwächen und die Immunabwehr der Pflanze stärken. Wie es das genau macht, wissen die Forscher noch nicht. 

Interessant dabei ist die lange Signalkette vom Blatt bzw. Spross in die Wurzel. Bisher waren derartige Signale nur für die andere Richtung bekannt – von der Wurzel in den Spross, z.B. bei Wachstumsprozessen. Weitere Untersuchungen zeigen, dass durch Flagellin und Coronatin nur dann ein SOS-Signal an die Wurzeln ausgelöst wird, wenn zwei weitere Gene beteiligt sind: der Flagellin-Rezeptor FLS2 und COI1, das eine Schließung der Stomata bei einer Coronatin-Infektion bewirkt. Über diese Blattöffnungen für Gasaustausch und Temperaturregulierung können Pathogene in die Pflanzen eindringen. 

Die „Guten“ kapern das Immunsystem zum eigenen Schutz

Wie die Pflanze mit dem Heubakterium interagiert, wollten die Forscher mit weiteren Experimenten herausfinden. Hierzu analysierten sie mehr als 1.000 Pflanzen. Sie entdeckten, dass Bacillus subtilis nicht immer die Abwehrkraft der Pflanzen befördert. Das Bakterium produziert ein antimikrobielles Peptid, mit dem es die Expression der Wurzelresistenzgene zeitweise unterdrücken kann. Die Immunabwehr der Wurzel wird dadurch geschwächt, so dass sich das Bakterium ungestört ausbreiten kann. Mit dieser effizienten Strategie schützt sich das Heubakterium in einer frühen Besiedlungsphase vor der pflanzlichen Abwehrreaktion gegen pathogene Bakterien. So kann es eine langfristige Interaktion mit der Wirtspflanze etablieren. Der Signalweg, über den das Heubakterium die Immunabwehr der Pflanze reguliert, unterscheidet sich von dem des Coronatin bei Pseudomonas syringae. Wie genau das Heubakterium das Immunsystem kapert und wie lange es diese Kontrolle aufrecht erhalten kann, wissen die Forscher allerdings noch nicht. Weitere Studien müssen nun die beteiligten Gene und Signalwege entschlüsseln. 

Rhizosphäre – ein wirksamer Pflanzenschutz?

Wurzeln und die mikrobielle Gemeinschaft in der Rhizosphäre spielen eine aktive Rolle bei der Reaktion von Pflanzen auf biotische und abiotische Stressfaktoren. Mit Pathogenen infizierte Pflanzen modulieren ihre primären und sekundären Stoffwechselwege, um ihre Abwehr zu erweitern. Sie locken mit Wurzelsekreten nützliche Bakterien wie das Heubakterium an und können so ihre Resistenz gegenüber Krankheitserregern wie Pseudomonas syringae deutlich verbessern – ein Potenzial für den Pflanzenschutz. Wissenschaftler beginnen gerade erst die Wechselwirkung zwischen Pflanzen und nützlichen Bodenbakterien zu verstehen. Wenn wir besser verstehen, welche Faktoren eine effiziente Wurzelbesiedlung mit nützlichen Bakterien beeinflussen und wie Pflanzen und Bakterien miteinander „kommunizieren“, ist dies ein erster Schritt zu effizienteren und umweltschonenderen Pflanzenschutzstrategien, die diese nützliche Symbiose berücksichtigen.