Germany
February 21, 2018
Attack at the protein front: Xanthomonas bacteria cause diseases in tomato and pepper plants and inject harmful proteins into plant cells. Researchers from Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU), the University of Bonn, the University of Freiburg and the Leibniz Institute of Plant Biochemistry (IPB) in Halle have now discovered how one of these proteins manipulates the nutrient supply and hormonal balance of plants. Their study was recently published in the renowned journal "Nature Communications".
The research group led by Halle-based plant geneticist Professor Ulla Bonas has been investigating the interaction between pathogenic bacteria and plants for quite some time. The group focuses on Xanthomonas bacteria, which primarily attack tomato and pepper plants. In their earlier work, the Halle lab already proved that the bacteria introduce numerous harmful proteins, so-called effectors, into plant cells via a specialised secretion system which works like a molecular syringe. "This protein cocktail weakens the plant's defences and allows the bacteria to multiply inside the plants. The plants age faster, lose their leaves and produce less fruit," says Ulla Bonas.
One of these harmful proteins is XopH. The research groups from Halle, Bonn and Freiburg investigated this particular protein's mechanism of action in more detail. Using analytical new methods developed by the Freiburg researchers, they were able to show that the XopH protein targets one of the main phosphorus supplies inside plant cells. "When XopH depletes this supply, it probably not only takes nutrients away from the plant but also prepares it to receive the harmful bacteria," explains Bonas. It is likely that the XopH protein also weakens the plant's defences and changes its hormonal balance, which is suggested by the fact that the affected plants have a problem to grow.
Some host plants have adapted to attacks from Xanthomonas bacteria and can recognise the manipulation through XopH. "We do not know yet how exactly they do this. However, the result is always the same: The diseased tissue dies to seal-off the infected area and to prevent the pathogenic bacteria from spreading further through the plant tissue," Bonas concludes.
The study in "Nature Communications" provides another answer to the question of how bacteria harm plants and how plants react to this threat. However, all in all, a lot of basic research still needs to be carried out to fully understand the disease process: XopH is only one of a total of more than 35 effector proteins that bacteria inject into plants to colonise them.
Publication:
Blüher et al. A 1-phytase type III effector interferes with plant hormone signaling. Nature Communications Volume 8, Article number: 2159 (2017), doi: 10.1038/s41467-017-02195-8
Neue Studie: Wie Bakterien Pflanzen manipulieren
Angriff auf der Protein-Ebene: Xanthomonas-Bakterien befallen Tomaten- und Paprikapflanzen und schleusen schädliche Eiweiße in die Zellen der Pflanzen ein. Wie einer dieser Stoffe die Nährstoffversorgung und den Hormonhaushalt der Pflanzen manipuliert, haben nun Forscher der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU), der Universität Bonn, der Universität Freiburg und des Leibniz-Instituts für Pflanzenbiochemie (IPB) in Halle herausgefunden. Ihre Studie erschien kürzlich im renommierten Fachjournal "Nature Communications".
Die Arbeitsgruppe der halleschen Pflanzengenetikerin Prof. Dr. Ulla Bonas erforscht seit Langem die Wechselwirkung zwischen krankheitserregenden Bakterien und Pflanzen. Im Fokus der Gruppe stehen Bakterien der Gattung Xanthomonas, die vor allem Tomaten- und Paprikapflanzen befallen. Bereits in früheren Arbeiten konnte die hallesche Arbeitsgruppe zeigen, dass die Bakterien viele schädliche Proteine, sogenannte Effektoren, mit Hilfe einer molekularen Spritze in Pflanzenzellen einschleusen. "Dieser Proteincocktail schwächt die Abwehr der Pflanze und erlaubt es den Bakterien, sich ungehindert in den Pflanzen zu vermehren. Die Pflanzen altern schneller, werfen ihre Blätter ab und produzieren weniger Früchte", sagt Prof. Dr. Ulla Bonas von der MLU.
Eines dieser schädlichen Proteine ist XopH. Die Arbeitsgruppen aus Halle, Bonn und Freiburg sind der Wirkweise dieses speziellen Proteins auf den Grund gegangen. Mit Hilfe eines neu entwickelten Analyseverfahrens der Freiburger Forscher konnten sie zeigen, dass das XopH-Protein gezielt einen der Hauptphosphorspeicher in den Pflanzenzellen angreift und zersetzt. "Wenn XopH diesen Speicher zersetzt, nimmt es der Pflanze wahrscheinlich nicht nur die Nährstoffe weg, es bereitet diese gleichzeitig für die schädlichen Bakterien auf", erklärt Bonas. Außerdem schwächt das Protein so vermutlich die Abwehrkräfte der Pflanze und verändert ihren Hormonhaushalt, was sich daran zeigt, dass die Pflanzen nicht mehr so gut wachsen.
Einige Wirtspflanzen haben sich auf den Befall durch die Xanthomonas-Bakterien eingestellt und können die Manipulation durch XopH erkennen. "Wie das genau passiert, ist noch nicht geklärt. Die Folge ist aber immer die gleiche: Das mit den Pathogenen befallene Gewebe stirbt ab, um den infizierten Bereich abzuriegeln und so die weitere Verbreitung der Bakterien in der Pflanze einzudämmen", fasst Bonas zusammen.
Die Studie in "Nature Communications" liefert eine weitere Antwort auf die Frage, wie Bakterien Pflanzen schädigen und wie diese darauf reagieren. Insgesamt ist jedoch noch viel Grundlagenforschung notwendig, um diesen Prozess vollständig zu verstehen: XopH ist nur eines von insgesamt mehr als 35 Effektor-Proteinen, die die Bakterien in die Pflanzen spritzen, um sie zu besiedeln.
Über die Publikation:
Blüher et al. A 1-phytase type III effector interferes with plant hormone signaling. Nature Communications Volume 8, Article number: 2159 (2017), doi: 10.1038/s41467-017-02195-8
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