Germany
May 28, 2024
A collaborative study between researchers from the Max Planck Institute for Plant Breeding Research and the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology has shown how a single metabolite can render bacteria toxic to plants under high salt conditions. Their findings may have important implications for agriculture and plant health in changing climates.
Culture collection of root-associated bacteria
Sammlung von Wurzel-assoziierten Bakterien in Kultur
Climate change, and specifically rising temperatures, will place a great strain on plant growth and will almost certainly impact plant production. One obvious consequence of a warmer climate is that plants in the field will require more irrigation. With more watering, however, also comes more salinity as in this way nutrient salts accumulate in agricultural soils. Climate change will also affect plant health through what it does to the communities composed of numerous microorganisms that live in intimate association with plant hosts. These communities make plants hardier in the face of stressful conditions and more resistant to pathogenic microbes. Thus, inoculation with defined bacterial communities as probiotics is an attractive strategy for safeguarding plant health. However, to ensure that these inocula are effective it is necessary to understand how bacteria and plants interact under different conditions.
From previous experiments, co-corresponding author Hacquard who is based at the Max Planck Institute for Plant Breeding Research in Cologne, Germany, and his colleagues knew that approx. 95% of the bacteria found in plant microbiota are either neutral or beneficial in one-on-one interactions with thale cress plants. A small number, however, are detrimental when grown together with plants under laboratory conditions, among them Pseudomonas brassicacearum R401, a Gram-negative bacterium found in soil that is a dominant member of the plant microbiota. Surprisingly, though, when this bacterium was grown together with plants under natural soil conditions, no disease was observed. This suggests that the bacterium requires specific conditions to cause disease on soil-grown plants.
Some previous reports had shown that salt stress can facilitate bacterial infection of plants. Indeed, when the scientists applied salt, they found that plant growth was negatively affected in the presence of the R401 strain. Many Gram-negative bacteria cause virulence by injecting disease-causing proteins directly into the host cell cytoplasm. However, inspection of the R401 genome failed to reveal any genes encoding this injection apparatus. Further, many pathogenic bacteria overgrow on their plant host and deploy strategies to dampen plant immune responses. Again, R401 was doing neither of these things.
To understand how the R401 strain causes disease on soil-grown plants facing salt stress, Hacquard and his group teamed up with the natural product group of Till Schäberle at the Justus-Liebig-University and the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology in Giessen. Together the researchers identified genes that showed similarity to genes from related bacteria that encode phytotoxic metabolites. They isolated the predicted metabolite, which they termed brassicapeptin, and mutated one of the core genes required for its synthesis. This mutation was sufficient to turn R401 into a plant-beneficial bacterium.
Strikingly, once they had the compound in hand, the scientists could show that brassicapeptin is by itself enough to cause plant disease in concert with high salt conditions. Further, brassicapeptin was not only toxic for thale cress plants but also for tomato plants experiencing salt stress, as well as for other microbes. The researchers could show that the molecule, which is composed of a fatty acid tail linked to amino acids, can form pores in plant membranes. This could explain why the molecules toxicity becomes apparent when plants are facing salt stress.
Till Schäberle is excited by the possibilities this study throws up for improving crop health: “It is important that we learn more about how the natural products produced by microbes influence plant physiology. This will allow us to design effective biologics for crop protection.”
Stéphane Hacquard found remarkable that “a single bacterial molecule can at the same time sensitize plants to osmotic stress, promote bacterial capability to colonize roots and impede growth of bacterial and fungal competitors.”
Salzige Böden sensibilisieren Pflanzen für eine unkonventionelle Form der toxischen Wirkung von Bakterien
Eine gemeinsame Studie von Forschenden des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung und dem Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und angewandte Ökologie hat gezeigt, wie ein einziger Metabolit Bakterien unter hohen Salzgehalten für Pflanzen toxisch machen kann. Ihre Erkenntnisse könnten wichtige Auswirkungen auf die Landwirtschaft und die Pflanzengesundheit in Zeiten des Klimawandels haben.
Der Klimawandel und insbesondere die steigenden Temperaturen werden das Pflanzenwachstum stark belasten und Auswirkungen auf die Pflanzenproduktion haben. Eine unmittelbare Folge steigender Temperaturen ist ein erhöhter Wasserbedarf für die Pflanzen auf den Feldern. Mehr Bewässerung führt jedoch auch zu mehr Salzgehalt, da sich auf diese Weise Nährsalze in den landwirtschaftlichen Böden anreichern. Der Klimawandel wird sich ebenfalls auf die Pflanzengesundheit auswirken, indem er die Lebensgemeinschaften zahlreicher Mikroorganismen beeinflusst, die in enger Verbindung mit den Pflanzenwirten leben. Diese Gemeinschaften machen die Pflanzen widerstandsfähiger gegen Stress und widerstandsfähiger gegen krankheitserregende Mikroben. Die Beimpfung mit bestimmten Bakteriengemeinschaften als Probiotika ist daher eine attraktive Strategie zur Sicherung der Pflanzengesundheit. Um sicherzustellen, dass diese Inokula effektiv sind, ist es entscheidend zu verstehen, wie Bakterien und Pflanzen unter verschiedenen Bedingungen miteinander interagieren.
Das Team um Stéphane Hacquard vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln wusste aus vorherigen Experimenten, dass Bakterien, die in der pflanzlichen Mikrobiota vorkommen, entweder neutral oder förderlich sind, wenn sie mit der Ackerschmalwand interagieren. Einige wenige sind jedoch schädlich, wenn sie unter Laborbedingungen zusammen mit Pflanzen kultiviert werden, darunter Pseudomonas brassicacearum R401, ein gramnegatives Bakterium, das im Boden vorkommt und ein dominantes Mitglied der Pflanzenmikrobiota ist. Überraschenderweise wurde jedoch keine Krankheit beobachtet, als dieses Bakterium zusammen mit Pflanzen unter natürlichen Bodenbedingungen kultiviert wurde. Dies deutet darauf hin, dass das Bakterium bestimmte Bedingungen benötigt, um Krankheiten bei Pflanzen im Boden hervorzurufen.
Einige frühere Berichte hatten gezeigt, dass Salzstress die bakterielle Infektion von Pflanzen erleichtern kann. In der Tat stellten die Wissenschaftler:innen bei der Anwendung von Salz fest, dass das Pflanzenwachstum in Gegenwart des R401-Stammes negativ beeinflusst wurde. Viele gramnegative Bakterien werden virulent, indem sie krankheitsverursachende Proteine direkt in das Zytoplasma der Wirtszelle injizieren. Bei der Untersuchung des R401-Genoms konnten jedoch keine Gene gefunden werden, die für diesen Injektionsapparat kodieren. Außerdem überwuchern viele pathogene Bakterien ihren pflanzlichen Wirt und wenden Strategien an, um die Immunreaktionen der Pflanzen zu dämpfen. Auch hier tat R401 nichts von alledem.
Um zu verstehen, wie der R401-Stamm Krankheiten bei Pflanzen im Boden verursacht, die unter Salzstress stehen, arbeiteten Hacquard und sein Team mit der Naturstoffgruppe von Till Schäberle von der Justus-Liebig-Universität und dem Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie in Gießen zusammen.
Gemeinsam identifizierten die Forschenden Gene, die Ähnlichkeit mit Genen aus verwandten Bakterien aufweisen, die für phytotoxische Metaboliten kodieren. Sie isolierten den vorhergesagten Metaboliten, den sie als Brassicapeptin bezeichneten, und mutierten eines der für seine Synthese erforderlichen Kerngene. Diese Mutation reichte aus, um R401 in ein pflanzenfreundliches Bakterium zu verwandeln.
Bemerkenswerterweise konnten die Wissenschaftler:innen, nachdem sie die Verbindung in der Hand hatten, zeigen, dass allein Brassicapeptin in Verbindung mit hohem Salzgehalt ausreicht, um Pflanzenkrankheiten zu verursachen. Darüber hinaus war Brassicapeptin nicht nur für Ackerschmalwand toxisch, sondern auch für Tomatenpflanzen, die unter Salzstress leiden, sowie für andere Mikroben.
Die Forschenden konnten zeigen, dass das Molekül, bestehend aus einem Fettsäureschwanz, der mit Aminosäuren verbunden ist, in der Lage ist, Poren in Membranen zu bilden. Dies könnte erklären, warum die Toxizität des Moleküls erst bei Salzstress für die Pflanzen sichtbar wird.
Till Schäberle ist begeistert von den Möglichkeiten, die sich aus dieser Studie für die Verbesserung der Pflanzengesundheit ergeben: "Es ist wichtig, dass wir mehr darüber lernen, wie die von Mikroben produzierten Naturstoffe die Pflanzenphysiologie beeinflussen. Dies wird es uns ermöglichen, wirksame Biologika für den Pflanzenschutz zu entwickeln."
Stéphane Hacquard fand es bemerkenswert, dass "ein einziges bakterielles Molekül gleichzeitig Pflanzen für osmotischen Stress sensibilisieren, die bakterielle Fähigkeit zur Besiedlung von Wurzeln fördern und das Wachstum von bakteriellen und pilzlichen Konkurrenten behindern kann."
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