Mikrobielle Interaktionen in pflanzlichen Ökosystemen


Forschungsprojekte


A) Dynamik und Vererbbarkeit des Blattmikrobioms (Juliana Almario)

Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass die Rekrutierung einer stabilen Gemeinschaft von definierten Bakterien durch die Pflanze entscheidend ist, um gefährliche Pathogene zu bekämpfen, die die Fitness reduzieren (Mendes et al., 2011). Es wurde weiter gezeigt, dass das Inokulum, um eine Pflanze zu besiedeln, in erster Linie aus dem Boden und teilweise aus der Luft stammt. Ein Mechanismus dafür, wie Mikroben rekrutiert werden, wie sie sich im Laufe der Zeit etablieren und wie eine solche Gemeinschaft stabilisiert wird, um Krankheitserreger zu bekämpfen, wurde noch nicht identifiziert. Eine der Schlüsselfragen lautet daher: Gibt es Organismen innerhalb des Mikrobioms, die mit dem Wirt co-evolvieren und wenn ja, welche? Wie evolviert dann der Wirt, um weitere Mikroorganismen auszuwählen die nur vorübergehend Teil des Holobionten werden, also solche die funktionell durch andere ersetzt werden können? Welcher Anteil des Mikrobioms ist vererbbar und sind dynamische Strukturen vererbbar?

Um diese Fragen zu beantworten ist es wichtig, Mitglieder des Wirtsmikrobioms zu identifizieren, die sich auf die Gemeinschaftsstruktur auswirken. Für A. laibachii, einem Protisten und wichtigem "Hub" in mikrobiellen Gemeinschaften, haben wir gezeigt, dass eine Co-Evolution zwischen dem Wirt und Mikroben stattfindet, und dass ein hohes Maß an Anpassung entscheidend ist, um eine dominante Schnittstelle (oder "Hub") innerhalb der Gemeinschaft zu werden (Agler et al., 2016) ). Mitglieder der Gattung Albugo sind obligat biotrophe Mikroorganismen und erfordern eine enge Interaktion mit ihrem Wirt. Co-Evolution mit einem Wirt ist daher eine Voraussetzung für das Überleben. Das Testen anderer obligat biotropher Mikroben, die A. thaliana in freier Wildbahn häufig kolonisieren und eng mit A. laibachii verwandt sind, wie z.B. der Protitist Hyaloperonospora arabidopsidis, ein Erreger des Falschen Mehltaus, konnte zeigen, dass diese Mikroben die mikrobielle Gemeinschaft nicht beeinflusst und auch keine "Hubs" sind (Agler et al., 2016). Welche Faktoren ermöglichen es einem Organismus ein "Hub" innerhalb des Mikrobioms zu werden und somit ein wichtiger Faktor für die Strukturierung des Holobionten im Laufe der Zeit zu sein? Können wir das im Labor re-konstruieren, um leistungsfähige Werkzeuge zu entwickeln die in der landwirtschaftlich helfen relevante Mikroorganismen dauerhaft zu integrieren ("Probiotika")?

B) Mikroben-Mikroben- und Wirts-Mikroben-Kommunikation im Wirtsgewebe (Ariane Kemen, Daniel Gómez)

Wir konnten bereits in früheren Arbeiten zeigen, dass obligat biotrophe Pilze (d.h. Pilze, die von einem lebenden Pflanzenwirt abhängen) in der Interaktionszone zwischen Wirt und Mikrobe, fibrillenbildende Amyloidproteine ​​sezernieren (Kemen et al. 2013). In der Zone zwischen Wirt und Pathogen sind diese wahrscheinlich wichtig um die Interaktion zu vermitteln. Durch die Erweiterung unserer Analysen auf pflanzenkolonisierende Protisten, insbesondere der Gattung Albugo, einem Erreger von Weißrost auf Arabidopsis thaliana, haben wir zahlreiche Amyloid-ähnliche Proteine ​​identifiziert, die in den Apoplast sezerniert werden. Eine frühere Studie, die wir an Feldpflanzen durchgeführt hatten, zusammen mit Laborrekonstitutionsexperimenten ergab, dass Albugo Arten in der Lage sind, mikrobielle Gemeinschaften durch Verringerung der Diversität und Fördern bestimmter Bakterienarten zu strukturieren (Agler et al. 2016).

Durch die Betrachtung endophytischer Bakteriengemeinschaften wurde dies besonders deutlich, da hier die Diversität negativ mit der Anwesenheit von Albugo Arten korreliert ist (Agler et al. 2016). Um die Spezifität verschiedener Albugo Arten zu Untersuchen, die sich in ihrem Amyloidrepertoire und der relativen Sekretion unterscheiden, initialisierten wir ein Hochdurchsatz-Screening von pflanzenassoziierten epiphytischen und endophytischen Bakterien gegenüber apoplastischer Flüssigkeit von Pflanzen, die von verschiedenen Albugo Arten besiedelt wurden (Ruhe, unveröffentlicht). Wir konnten verschiedene Grade an Sensitivität der Bakterien gegenüber den individuellen Albugo Arten sehen. Besonders epiphytische Bakterien, die wir ausschließlich auf Blattoberflächen identifiziert hatten, wurden stark durch pflanzliche apoplastische Flüssigkeit von A. candida kolonisierten Pflanzen unterdrückt, während einige endophytische Arten sogar ein verbessertes Wachstum zeigten.

Seit einiger Zeit ist bekannt, dass zahlreiche Peptide und Proteine ​​eine inhärente Tendenz besitzen, von nativen funktionellen Zuständen in Amyloid-Aggregate zu wechseln. Dieses Phänomen wurde in der medizinischen Forschung intensiv untersucht, da es mit einer Reihe von häufigen menschlichen Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson assoziiert ist (Chiti & Dobson 2017). Wesentliche Hinweise deuten darauf hin, dass oligomere Intermediate von Amyloiden als toxische Elemente in der Pathogenese dieser chronischen Krankheitszustände auftreten (Kagan et al. 2012). Solche Oligomere sind nicht nur toxisch für ihren nativen Organismus, sondern es wurde gefunden, dass sie antimikrobielle Aktivität besitzen. Neben Protegrin-1, das Mikroben durch einen Kanal bildenden Mechanismus abtötet (Kagan et al. 2012), zeigt eine aktuelle Studie, dass Amyloid-β (Aβ) als antimikrobielles Peptid fungieren kann und zusätzliche Daten zeigen, dass Bakterien und Hefe Aβ als Saat verwenden können um Amyloid Ablagerungen zu induzieren (Golde 2016). Das Säen oder Animpfen der Amyloid-Bildung, also eine aktive Induktion, ist ein allgemeiner Mechanismus, der von zahlreichen Mikroben zu ihrem Vorteil verwendet wird. Jüngste Einblicke in bakterielle Biofilm-Matrixstrukturen haben einen Paradigmenwechsel in Richtung Anerkennung von Amyloidfasern als stabilitätserhöhende Grundeinheiten der Exopolysaccharidmatrix bewirkt (Tagliaglegna, Lasa & Valle 2016). Es wurde gezeigt, dass Amyloidfasern und damit oligomere Intermediate bei allen Prokaryoten und Eukaryoten vorhanden sind und neben der Biofilmbildung integraler Bestandteil vieler biologischer Funktionen wie Zell-Zell-Kontakte, Gerüstbildung und Substratadhäsion sind (Garcia-Sherman et al. 2014). In der Tat sind mikrobielle Amyloide nicht nur strukturelle Komponenten, sondern modulieren Wirts-Mikroben- (Gilchrist et al. 2012; Bois et al. 2013) und wahrscheinlich Mikrobe-Mikroben-Interaktionen. Viele Mikroben verwenden funktionelle Amyloide, um sich spezifisch an den Wirt anzuheften und ihn zu besiedeln (Garcia-Sherman et al. 2014).

Zusammenfassend kann man festhalten, dass aktuelle Daten einen bivalenten Charakter von Amyloid-bildenden Proteinen sowohl als nützliche, als auch als toxische Verbindungen in der Mikroben-Mikroben-Wechselwirkung zeigen. Dies wirft zwei grundlegende Fragen auf: (1) Wie schützen sich Mikroben in komplexen mikrobiellen Gemeinschaften vor den verschiedenen toxischen Amyloiden die von ihnen und anderen produziert werden und (2) wie und wo wird die Amyloidfibrillen-Bildung in Mikroben-Mikroben- und Wirt-Mikroben-Interaktionen induziert?

C) Die Wirkung von Wirtsgenen auf mikrobielle Germeinschaften (Ariane Kemen)

Frühere Studien aus unserem Labor und anderen zeigten komplexe und hochgradig vernetzte mikrobielle Netzwerke, die das Blatt-Mikrobiom strukturieren (Agler et al. 2016). Diese Netzwerke zeigen als funktionell, zentrale Elemente so genannte "Hubs", für die postuliert wurde, dass sie als Mediatoren zwischen der Wirtspflanze und dem Mikrobiom fungieren können. Wir konnten in Feldexperimenten zeigen, dass sowohl abiotische Faktoren als auch Pflanzengenotyp die Mikrobiomzusammensetzung beeinflussen. Vorhandensein eines Gens, das Resistenz gegenüber dem "hub"-Organismus Albugo, dem Erreger des Weißrosts auf Brassicaceen, verleiht, hat gezeigt, dass es die Mikrobiomstruktur signifikant beeinflusst. Wir nehmen daher an, dass "hub"-Organismen der Gattung Albugo Wirtsgen-Phänotypen an die gesamte mikrobielle Gemeinschaft weitergeben, indem sie Mikrobe-Mikroben-Interaktionen im Netzwerk beeinflussen. Dies wirkt sich dann auf die Wirtsfitness aus in dem zB. Pathogene weniger grundlagen zur Wirtskolonisierung erhatlen oder nützlich Bakterien gefördert werden.

Wie unterschiedliche Resistenzmechanismen gegen "Hub"-Organismen wie Albugo die Struktur des mikrobiellen Netzwerks beeinflussen, wurde bisher noch kaum untersucht. Um diese Wissenslücke zu schließen, quantifizieren wir Epi- und Endophyten in verschiedenen anfälligen und resistenten Arabidopsis Ökotypen unter kontrollierten Bedingungen. Parallel dazu verwenden wir synthetische mikrobielle Gemeinschaften in gnotobiotischen Systemen, um unsere Hypothese zu überprüfen und mikrobielle Netzwerke mit reduzierter Komplexität zu rekonstruieren. Unsere synthetischen Gemeinschaften erstrecken sich über zwei Reiche (Bakterien und Eukaryoten), die durch Daten von natürlichen Standorten inspiriert sind, und es uns ermöglichen, übergreifende Wechselwirkungen zwischen Wirt und Mikroben sowie Mikroben und Mikroben zu untersuchen. Wir verwenden quantitative PCR, um die Dynamik von Verschiebungen in der mikrobiellen Gemeinschaft in der Anwesenheit und Abwesenheit von "Hub"-Organismen und relevanten Wirtsgenen zu verfolgen. Unter diesen kontrollierten Bedingungen konnten wir einen signifikanten genotypischen Effekt auf die Mikrobiomzusammensetzung identifizieren, dar über "Hub"-Mikroben vermittelt wird. Wir werden dieses System weiter verwenden, um Mechanismen und evolutionäre Aspekte von Wirt-Mikroben- und Mikroben-Mikroben-Interaktionen in dynamischen, mit dem Wirt assoziierten komplexen Gemeinschaften zu untersuchen. Die Daten werden für den Aufbau stabieler synthetischer Gemeinschaften relevant sein, die Pflanzen und somit die menschliche Ernährung unter natürlichen Bedingungen fördern und sicherstellen. Biologische Bekämpfungsmittel, die auf lebenden Mikroben basieren, können bisher noch keine dauerhaften Resistenzen verleihen und sellen daher ein wichtiges Ziel dar.

D) Lokale Effekte der Wirtsgenetik auf die Zusammensetzung des Mikrobioms (Paul Runge)


 

 

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