Viele der Bakterien, die verheerende Schäden an Nutzpflanzen anrichten und unsere Nahrungsversorgung gefährden, nutzen eine gemeinsame Strategie, um Krankheiten auszulösen: Sie injizieren Kombinationen schädlicher Proteine direkt in Pflanzenzellen. Seit 25 Jahren untersuchen der Biologe Shengyang He und sein leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter Shinya Nomura die Reihe von Molekülen, mit denen Pflanzenpathogene Krankheiten in Hunderten von Nutzpflanzen auf der ganzen Welt verursachen, von Reis bis zu Apfelplantagen.
Jetzt haben drei gemeinsame Forschungsgruppen endlich Antworten darauf gefunden, wie diese Moleküle Pflanzen krank machen und Wege finden, sie rückgängig zu machen.
Relevante Forschungsergebnisse wurden am 13. September in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.
Forscher im Labor untersuchen die Hauptbestandteile dieses tödlichen Cocktails, einer Familie injizierter Proteine namens AvrE/DspE, die Krankheiten verursachen, die von braunen Flecken bei Bohnen über Bakterienflecken bei Tomaten bis hin zu Feuerbrand bei Obstbäumen reichen.
Seit seiner Entdeckung in den frühen 1990er Jahren haben Menschen, die sich mit Pflanzenkrankheiten befassen, großes Interesse an dieser Proteinfamilie gezeigt. Sie sind Schlüsselwaffen im Bakterienarsenal; Ihre Beseitigung im Labor kann ansonsten gefährliche Bakterien unschädlich machen. Doch trotz jahrzehntelanger Bemühungen bleiben viele Fragen zu ihrer Funktionsweise unbeantwortet.
Die Forscher fanden heraus, dass viele Proteine der AvrE/DspE-Familie das Immunsystem einer Pflanze unterdrücken oder wassergetränkte schwarze Flecken auf Pflanzenblättern bilden können – das erste Anzeichen einer Infektion. Sie kennen sogar die Grundsequenz von Aminosäuren, die sich wie Perlen auf einer Schnur zu Proteinen verbinden. Sie wussten jedoch nicht, wie sich die Aminosäurekette in ihre dreidimensionale Form faltete, und konnten daher nicht einfach erklären, wie sie funktionierte.
Ein Teil des Problems besteht darin, dass die Proteine dieser Familie so groß sind. Allgemeine Bakterienproteine haben möglicherweise nur 300 Aminosäuren, während Proteine der AvrE/DspE-Familie 2.000 Aminosäuren haben.
Die Forscher suchten nach weiteren Proteinen mit ähnlichen Sequenzen, fanden aber keines mit bekannter Funktion.
„Das sind seltsame Proteine“, sagte er. Deshalb wandten sie sich einem 2021 veröffentlichten Computerprogramm namens AlphaFold2 zu, das künstliche Intelligenz nutzt, um die dreidimensionale Form einer bestimmten Aminosäurekette vorherzusagen.
Forscher wissen, dass einige Mitglieder dieser Familie den Bakterien helfen, sich vor dem Immunsystem der Pflanze zu verstecken. Doch als sie zum ersten Mal die dreidimensionale Struktur des Proteins sahen, entdeckten sie eine andere Rolle.
„Als wir dieses Modell zum ersten Mal sahen, war es völlig anders als wir es uns vorgestellt hatten“, sagte der Co-Autor der Studie, Pei Zhou, Professor für Biochemie an der Duke University.
Forscher untersuchten KI-Vorhersagen von bakteriellen Proteinen, die Nutzpflanzen wie Birnen, Äpfel, Tomaten und Mais infizieren, und fanden heraus, dass sie alle ähnliche dreidimensionale Strukturen aufwiesen. Sie scheinen sich zu einem kleinen Pilz mit zylindrischem Stiel zu falten, ähnlich einem Strohhalm.
Die vorhergesagte Form stimmte gut mit Bildern überein, die mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie des Bakterienproteins aufgenommen wurden, das bei Obstbäumen Feuerbrand verursacht. Von oben nach unten betrachtet ähnelt das Protein einer hohlen Röhre.
Das brachte die Forscher zum Nachdenken: Vielleicht nutzen Bakterien diese Proteine, um während des Infektionsprozesses Löcher in pflanzliche Zellmembranen zu stanzen und „den Wirt dazu zu zwingen, Wasser zu trinken“.
Wenn Bakterien in ein Blatt eindringen, ist einer der ersten Bereiche, mit denen sie in Kontakt kommen, der Raum zwischen den Zellen, das sogenannte Zytoplasma. Normalerweise halten Pflanzen diesen Bereich trocken, um den für die Photosynthese erforderlichen Gasaustausch zu ermöglichen. Wenn jedoch Bakterien eindringen, sammelt sich Wasser in den Blättern und schafft so ein feuchtes und angenehmes Paradies für die Nahrungsaufnahme und Fortpflanzung.
Eine weitere Untersuchung des vorhergesagten dreidimensionalen Modells des Feuerbrandproteins ergab, dass die Außenseite der strohähnlichen Struktur zwar wasserbeständig ist, ihr hohler Kern jedoch eine besondere Affinität zu Wasser aufweist.
Um die Wasserkanal-Hypothese zu testen, arbeitete das Forschungsteam mit dem Biologieprofessor der Duke University, Dong Ke, und seinem Labor-Postdoktoranden und Co-Erstautor Felipe Andreazza zusammen. Sie fügten den Froscheiern genetische Messwerte für die bakteriellen Proteine AvrE und DspE hinzu und nutzten die Eier als zelluläre Fabriken zur Herstellung dieser Proteine. Legen Sie die Froscheier in verdünnte Kochsalzlösung. Zu viel Wasser führt dazu, dass die Eier schnell anschwellen und platzen.
Die Forscher versuchten auch, diese bakteriellen Proteine zu entsperren, indem sie ihre Kanäle blockierten. Nomura konzentrierte sich auf eine Art winziger kugelförmiger Nanopartikel namens PAMAM-Dendrimere. Solche Dendrimere werden seit mehr als zwei Jahrzehnten in der Arzneimittelabgabe eingesetzt und können im Labor zu Partikeln mit präzisen Durchmessern verarbeitet werden.
„Unsere Hypothese war, dass wir die Poren möglicherweise verstopfen könnten, wenn wir Chemikalien mit dem richtigen Durchmesser finden würden“, sagte er.
Nachdem sie Partikel unterschiedlicher Größe getestet hatten, fanden sie eines, das ihrer Meinung nach genau die richtige Größe hatte, um die vom Feuerbranderreger Erwiniaamylovora produzierten Aquaporine zu blockieren.
Sie nahmen Froscheier, die dieses Protein synthetisieren konnten, und bewässerten sie mit PAMAM-Nanopartikeln, sodass das Wasser nicht mehr in die Froscheier floss. Sie schwellen nicht an.
Sie behandelten auch Arabidopsis-Pflanzen, die mit dem Erreger Pseudomonas syringae infiziert waren, der Bakterienflecken verursacht. Die kanalblockierenden Nanopartikel stoppten das Bakterienwachstum und reduzierten die Krankheitserregerkonzentration in Pflanzenblättern um das Hundertfache.
Diese Verbindungen wirken auch gegen andere bakterielle Infektionen. Die Forscher führten das gleiche Experiment mit Birnenfrüchten durch, die dem Bakterium ausgesetzt waren, das Feuerbrand verursacht, aber die Früchte zeigten keine Symptome – die Bakterien machten sie nicht krank.
„Es war ein langer Prozess, aber es hat funktioniert“, sagte er. „Wir freuen uns sehr darüber.“
Die Forscher sagen, dass die Ergebnisse neue Ideen für die Bekämpfung vieler Pflanzenkrankheiten liefern könnten. 80 % der Nahrung, die wir essen, wird von Pflanzen produziert. Allerdings gehen jedes Jahr mehr als 10 % der weltweiten Nahrungsmittelproduktion – Nutzpflanzen wie Weizen, Reis, Mais, Kartoffeln und Sojabohnen – durch Pflanzenpathogene und Schädlinge verloren, was die Weltwirtschaft bis zu 220 Milliarden US-Dollar kostet.
Das Forschungsteam hat für diese Methode ein vorläufiges Patent angemeldet. Der nächste Schritt bestehe darin, herauszufinden, wie dieser Schutz funktioniert, indem man genauer untersucht, wie kanalblockierende Nanopartikel und Kanalproteine interagieren, sagten Zhou und Co-Erstautor Jie Cheng, ein Doktorand in Zhous Labor.
„Wenn wir diese Strukturen abbilden können, können wir bessere Pflanzenschutzlösungen besser verstehen und entwickeln“, sagte Zhou.