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31.05.2022
Wie Eindringlinge die Abbaumaschinerie der Pflanzenzelle ausschalten
Forschungsteam der Universität Tübingen entdeckt bisher unbekannten Mechanismus, mit dem krankheitserregende Bakterien die pflanzliche Immunabwehr überwinden
Krankheitserregende Bakterien in Pflanzen können deren Abwehr lahmlegen und so der Auflösung durch die Pflanzenzelle, der sogenannten Xenophagie, entgehen. Ein ähnlicher Mechanismus, über den Bakterien die Fressmaschinerie der Immunabwehr überwinden, ist von tierischen und menschlichen Zellen bekannt. Bei Pflanzen hat ihn nun ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Professor Suayb Üstün vom Zentrum für Molekularbiologie der Pflanzen der Universität Tübingen und der Ruhr-Universität Bochum zum ersten Mal beschrieben. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift The EMBO Journal veröffentlicht.
Zellen müssen ihren Proteinbestand stetig an ihre aktuellen Funktionen und an Einflüsse aus ihrem Umfeld anpassen. „Ständiger Proteinabbau ist dabei unumgänglich, sonst wird es eng in der Zelle, und das Material geht aus“, erklärt Suayb Üstün, dessen Arbeitsgruppe diese streng geregelten Abbauprozesse erforscht. Wenn die Zelle größere Teile wie Proteinkomplexe, unlösliche Aggregate oder ganze Organellen, also Zellorgane, zu entsorgen hat, nutzt sie meist einen als Autophagie bezeichneten Prozess, wörtlich frisst sie sich dabei selbst auf. „Diesen Weg des Abbaus nutzen tierische und menschliche Zellen teilweise auch, wenn sie Eindringlinge wie krankheitserregende Bakterien beseitigen wollen. Dann bezeichnet man den Vorgang auch als Xenophagie – das Fressen des Fremden“, sagt der Wissenschaftler.
Wettrüsten zwischen Wirt und Krankheitserreger
Doch endet das Wettrüsten zwischen Wirt und Krankheitserreger dort nicht: Manche Bakterien haben wiederum Proteine entwickelt, die die auf sie gelenkte Maschinerie der Autophagie blockieren. Dadurch verschaffen sie sich Vorteile, sie können sich weiter ausbreiten. „Diesen Forschungsstand kennt man bei menschlichen Zellen seit mehreren Jahren. Bei Pflanzen waren wir noch nicht so weit. Denn es gibt bei der Autophagie einen wichtigen Unterschied gegenüber tierischen Zellen: Bei Pflanzen dringen krankheitserregende Bakterien nicht in die Zellen ein, sie halten sich im extrazellulären Raum auf“, sagt Üstün. Dies sei zum Beispiel bei dem Bakterium Xanthomonas der Fall, das bei einer ganzen Reihe von Pflanzen Welke und Fäule an Blättern, Stängeln und Früchten verursacht und auch die vom Forschungsteam untersuchten Tabakpflanzen befällt.
„Xanthomonas-Bakterien schleusen einen Effektor in die Pflanzenzellen ein. Wir haben festgestellt, dass dieser eine wichtige Komponente der Autophagiemaschinerie unterdrückt. So kann sich Xanthomonas weiter ausbreiten“, sagt Üstün. „Allerdings lässt die pflanzliche Abwehr diesen Schritt nicht unbeantwortet. Sie wiederum produziert ein Protein, das den Effektor von Xanthomonas durch Autophagie zersetzt.“ Dies seien die ersten Belege für antimikrobielle Xenophagie in den Beziehungen zwischen Pflanzen und Bakterien. „Ein interessanter Aspekt dabei ist, dass die beteiligten Proteine wie der Effektor von Xanthomonas und in der Autophagie-Maschinerie sich bei Mensch und Pflanze stark ähneln, obwohl sie von unterschiedlichen bakteriellen Krankheitserregern befallen werden“, sagt Üstün. In der Biologie spreche man davon, dass die Proteine zwischen ganz unterschiedlichen Lebewesen in der Evolution stark konserviert wurden.
Die neuen Studienergebnisse geben den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern wichtige Hinweise für die weitere Grundlagenforschung über Auto- und Xenophagie bei Pflanzen – langfristig könnten diese der Vorbeugung von Pflanzenkrankheiten im Nutzpflanzenanbau dienen.
Publikation:
Jia Xuan Leong, Margot Raffeiner, Daniela Spinti, Gautier Langin, Mirita Franz-Wachtel, Andrew R. Guzman, Jung-Gun Kim, Pooja Pandey, Alyona E. Minina, Boris Macek, Anders Hafrén, Tolga O. Bozkurt, Mary Beth Mudgett, Frederik Börnke, Daniel Hofius, Suayib Üstün: A bacterial effector counteracts host autophagy by promoting degradation of an autophagy component. The EMBO Journal, https://doi.org/10.15252/embj.2021110352
Kontakt:
Prof. Dr. Suayb Üstün
Universität Tübingen
Zentrum für Molekularbiologie der Pflanzen
Telefon +49 7071 29-76149
suayib.uestuen@uni-tuebingen.de
Pressekontakt:
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