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Plant pest reprogramme the roots - Researchers from the University of Bonn discover that tiny worms produce a plant hormone
Pflanzenschädling programmiert Wurzeln um - Forscher der Uni Bonn: Winzige Würmer stellen ein Pflanzenhormon her, um sich von ihrem Wirt zu ernähren
Bonn, Germany
September 29, 2015
Der Rübenzystennematode (Heterodera schachtii) saugt an einer Wurzel, die er mithilfe eines Pflanzenhormons umprogrammiert. (c) Foto: Zoran Radakovic
Microscopic roundworms (nematodes) live like maggots in bacon: They penetrate into the roots of beets, potatoes or soybeans and feed on plant cells, which are full of energy. But how they do it precisely was previously unknown. Scientists at the University of Bonn together with an international team discovered that nematodes produce a plant hormone to stimulate the growth of specific feeding cells in the roots. These cells provide the parasite with all that it needs. The results are now published in the journal "Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America" (PNAS).
The beet cyst nematode (Heterodera schachtii) is a pipsqueak of less than a millimetre in length, but it causes huge yield losses in sugar beet. Not only are infected beets smaller than normal, but also they have an increasing number of lateral roots and experience a drastic decrease in sugar yield. This makes the pest a talking point as a cause of the dreaded “beet fatigue”, especially in traditional sugar beet growing such as Bonn. To date, however, it was not clear how the nematodes stimulate the development of a nurse cell system inside the root, which they absolutely need as a food source.
It arises from the fact that cells divide increasingly, merge with each other and eventually swell. "For a long time it was speculated that plant hormones play a role in the formation of a nurse cell system in roots," says Prof. Dr. Florian Grundler from the Molecular Phytomedicine, University of Bonn. Since the nematodes lose their ability to move after penetrating into the roots, they are particularly dependent on the development of tumorous nurse cell system.
Pest uses degradation products of its metabolism
Together with scientists from Columbia (USA), Olomouc (Czech Republic), Warsaw (Poland), Osaka (Japan) and the Freie Universitaet Berlin, the researchers at the University of Bonn have used Arabidopsis thaliana as a model plant to discover that the beet cyst nematode itself produces the plant hormone cytokinin. “The nematode has been able to employ a breakdown product of its own metabolism as a plant hormone to control the development of plant cells,” said lead author and research group leader Dr Shahid Siddique. The pest programmed the plant roots in beets to form a special nutritive tissue, which the nematode uses for its own growth.
The research team initially did not know whether the pest uses the hormone plants produce or whether it produces and releases the hormone itself. The scientists blocked cytokinin production in the plant - the nematode nevertheless continued to grow because it was not dependent on the plant-produced hormone. Only when the agricultural experts blocked a special receptor at the docks to override the worm-produced hormone did they starve the pest, discovering that the hormone is important for the formation of the nurse cell system. “In this case, Heterodera schachtii cannot use its ability to produce cytokinin anymore, because a vital pathway was interrupted in the root cells,” explained Dr Siddique.
New options for plant breeding
Although this discovery is a result of basic research, it opens up new avenues in plant breeding. “On the one hand the result is an important contribution to the fundamental understanding of parasitism in plants, and on the other hand it can help to reduce the problem of cyst nematode in important agricultural crops,” said Prof Grundler. Now that an important mechanism had been found by the research, we are looking for an appropriate strategy to use these results specifically in resistance breeding.
Publication: A parasitic nematode releases cytokinin that controls cell division and orchestrates feeding site formation in host plants, Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), DOI: 10.1073/pnas.1503657112
Pflanzenschädling programmiert Wurzeln um - Forscher der Uni Bonn: Winzige Würmer stellen ein Pflanzenhormon her, um sich von ihrem Wirt zu ernähren
Mikroskopisch kleine Fadenwürmer (Nematoden) leben wie die Maden im Speck: Sie dringen in Wurzeln von Rüben, Kartoffeln oder Sojabohnen ein und saugen dort an energiereichen Pflanzenzellen. Wie sie das genau machen, war bislang unbekannt. Wissenschaftler der Universität Bonn haben nun mit einem internationalen Team herausgefunden, dass die Nematoden selbst ein Pflanzenhormon herstellen, um das Wachstum spezieller Nährzellen in den Wurzeln zu stimulieren. Diese Zellen versorgen die Parasiten mit allem, was nötig ist. Die Ergebnisse sind nun im Fachjournal „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS) veröffentlicht.
Der Rübenzystennematode (Heterodera schachtii) ist mit weniger als einem Millimeter Länge ein Winzling, führt aber im Zuckerrübenanbau zu riesigen Ertragseinbußen. Befallene Rüben werden nicht so groß wie normal, sie bilden vermehrt Seitenwurzeln aus und der Zuckerertrag geht drastisch zurück. Gerade in traditionellen Anbaugebieten wie dem Bonner Raum macht der Schädling als Verursacher der gefürchteten „Rübenmüdigkeit“ von sich Reden. Bis heute war allerdings nicht klar, wie die Nematoden die Entwicklung eines Nährzellensystems im Inneren der Wurzel stimulieren, das sie als Nahrungsquelle unbedingt brauchen.
Es entsteht dadurch, dass sich Zellen vermehrt teilen, miteinander verschmelzen und schließlich anschwellen. „Schon lange stand die Hypothese im Raum, dass für die Bildung des Nährzellensystems Pflanzenhormone eine Rolle spielen“, sagt Prof. Dr. Florian Grundler von der Molekularen Phytomedizin der Universität Bonn. Da die Nematoden nach dem Eindringen in die Wurzel ihre Fähigkeit zur Fortbewegung verlieren, seien sie im besonderen Maße auf die Entwicklung des tumorartigen Nährzellengewebes angewiesen.
Schädling nutzt Abbauprodukte seines Stoffwechsels
Zusammen mit Wissenschaftlern aus Columbia (USA), Olomouc (Tschechien), Warschau (Polen), Osaka (Japan) und der Freien Universität Berlin haben die Forscher der Universität Bonn an der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) als Modellpflanze herausgefunden, dass Rübenzystennematoden das Pflanzenhormon Cytokinin selbst herstellen. „Den Nematoden ist es gelungen, ein Abbauprodukt des eigenen Stoffwechsels als Pflanzenhormon zur Steuerung der Entwicklung von Pflanzenzellen einzusetzen“, sagt Erstautor und Arbeitsgruppenleiter Dr. Shahid Siddique. Der Schädling programmiert die Pflanzenwurzeln so um, dass die Rüben das spezielle Nährgewebe ausbilden, das der Fadenwurm für sein Wachstum braucht.
Das Forscherteam wusste zunächst nicht, ob der Rübenschädling das Pflanzenhormon der Pflanze geschickt für sich nutzt oder es selbst herstellt. Die Wissenschaftler blockierten deshalb die Cytokinin-Produktion in der Pflanze – der Nematode wuchs trotzdem weiter, weil er nicht darauf angewiesen war. Erst als die Agrarexperten einen speziellen Rezeptor außer Kraft setzten, an den das Hormon andockt und der für die Ausbildung des Nährgewebes wichtig ist, darbten die Rübenschädlinge. „In diesem Fall nutzte Heterodera schachtii seine Fähigkeit, Cytokinin herzustellen, nichts mehr, weil der für ihn lebenswichtige Signalweg in den Wurzelzellen unterbrochen war“, erläutert Dr. Siddique.
Neue Optionen für die Pflanzenzüchtung
Obwohl es sich um ein Ergebnis aus der Grundlagenforschung handelt, eröffnet es absehbar neue Wege für die Pflanzenzüchtung. „Zum einen ist das Resultat ein wichtiger Beitrag zum grundlegenden Verständnis des Parasitismus bei Pflanzen, zum anderen kann es dazu beitragen, das Problem der Zystennematoden in wichtigen landwirtschaftlichen Kulturen bald auch in der Praxis zu verringern“, sagt Prof. Grundler. Nun, da durch die Forschung ein wichtiger Mechanismus gefunden worden sei, lasse sich nach einer geeigneten Strategie suchen, diesen gezielt in der Resistenzzüchtung zu nutzen.
Publikation: A parasitic nematode releases cytokinin that controls cell division and orchestrates feeding site formation in host plants, Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), DOI: 10.1073/pnas.1503657112
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Website: http://www3.uni-bonn.de/ Published: September 29, 2015 |
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