Tübingen, Germany
December 15, 2017
A team of international researchers headed by scientists from the University of Tübingen has deciphered the workings of a cytolytic toxin, which is produced by some of the world’s most devastating crop diseases. The Cytolysin is manufactured by pathogens such as bacteria and fungi and can wipe out entire harvests if chemical protection is not used. The study - by researchers from Tübingen and their partner institutions in Berkeley, Bordeaux, Ljubljana, Liége, and Wako in Japan, as well as Göttingen in Germany - may lead to ways of better protecting crops from such pathogens in the future. The study has been published in the latest edition of Science.
The Great Famine in Ireland claimed around one million lives and forced more than a million people to emigrate. It began in 1845 with the failure of potato crops in that and the following years due to the potato blight, caused by an oomycete called Phytophthora infestans. It quickly kills the infected plant and spoils the potato tubers.
“This pathogenic organism produces Cytolysin, a veritable killer toxin,” says Dr. Isabell Albert of Tübingen’s Center for Plant Molecular Biology. The organism’s goal is to kill the plant cells so that it can feed on the dead tissue.” To this end, the Cytolysin perforates the plant cell membrane, damaging it beyond repair. The affected cells die.
Phytophthora infestans is not the only pathogen to use this tactic, Albert explains. So does Pectobacterium carotovorum, which primarily attacks roots; it is also the preferred mode of attack by the Botrytis fungus, which ruins fruit and vegetable crops. What was not understood until now was why these Cytolysins severely damage some plant species while not affecting others. “For example, cells of all kinds of cereals remain undestroyed by the toxin,” says Albert, “Pathogens such as the potato blight therefore do not harm cereals.”
The researchers have now shown that sensitivity to the Cytolysin is dependent on a receptor in the plant cell which is significantly different in different types of plants. In both cases it is a molecule chain of sugar residues and fats - but in plants such as potatoes and tomatoes the chain is short, while cereals have a much longer molecule chain. “This longer receptor apparently means that the Cytolysin can connect with the receptor in wheat or barley, but cannot reach the cell membrane - and therefore cannot have its deadly effect,” Albert reports.
As Professor Thorsten Nürnberger, who headed the study, explained, the characteristics of the different toxin receptors offer a significant potential application: “The plants which are sensitive to the Cytolysin due to their receptor include a lot of weeds.” This opens up the possiblity of developing a natural herbicide on the basis of a microbial toxin which would act very selectively - and therefore in a much more environmentally-friendly way than common herbicides today such as Glyphosate.
Another prospect arising from the study, Nürnberger said, was the development of new kinds of biological plant-protective chemicals. He says it is conceivable that special sugar molecules could be used to block the Cytolysin toxin, preventing it from docking onto vulnerable plant cells. That could enable effective protection from attack by a range of deadly plant diseases, Nürnberger says.
Publication:
Tea Lenarčič, Isabell Albert, Hannah Böhm, Vesna Hodnik, Katja Pirc, Apolonija B. Zavec, Marjetka Podobnik, David Pahovnik, Ema Žagar, Rory Pruitt, Peter Greimel, Akiko Yamaji-Hasegawa, Toshihide Kobayashi, Agnieszka Zienkiewicz, Jasmin Gömann, Jenny C. Mortimer, Lin Fang, Adiilah Mamode-Cassim, Magali Deleu, Laurence Lins, Claudia Oecking, Ivo Feussner, Sébastien Mongrand, Gregor Anderluh, Thorsten Nürnberger: Eudicot plant-specific sphingolipids determine host selectivity of microbial NLP cytolysins, Science, 2017
DOI: 10.1126/science.aan6874
Wirkmechanismus gefährlicher Pflanzenkrankheiten entschlüsselt
- Chance auf Entwicklung neuer biologischer Pflanzenschutzmittel und Herbizide
- Ergebnisse im Fachmagazin „Science“ veröffentlicht
Ein internationales Forschungsteam unter Leitung der Universität Tübingen hat die Wirkungsweise eines Giftstoffs entschlüsselt, der bei einigen der am meisten gefürchteten Pflanzenkrankheiten in der Landwirtschaft auftritt. Der toxisch wirkende Stoff, ein Cytolysin, wird von Krankheitserregern wie Bakterien oder Pilzen produziert und kann zur Vernichtung ganzer Ernten führen, wenn nicht mit Pflanzenschutzmitteln gegengehalten wird. Die Ergebnisse der Studie, an der neben den Tübinger Forscherinnen und Forschern auch Kooperationspartner aus Berkeley, Bordeaux, Göttingen, dem slowenischen Ljubljana, dem belgischen Lüttich und Wako in Japan beteiligt waren, bieten das Potenzial, viele Nutzpflanzen in Zukunft besser vor Krankheitserregern zu schützen. Die Studie wurde am Donnerstag im Wissenschaftsmagazin Science veröffentlicht.
Die „Große Hungersnot“ forderte ab 1845 in Irland eine Million Todesopfer und zwang rund zwei Millionen Iren zur Auswanderung. Verursacht wurde die Hungersnot durch die Vernichtung der Kartoffelernte in mehreren aufeinander folgenden Jahren. Auslöser der Katastrophe: ein Eipilz mit dem lateinischen Namen Phytophthora infestans. Die von ihm ausgelöste Kartoffelfäule vernichtet innerhalb kürzester Zeit die infizierte Pflanze samt den Kartoffelknollen.
„Dieser Krankheitserreger produziert mit dem giftigen Cytolysin ein regelrechtes Killertoxin“, erklärte Dr. Isabell Albert vom Zentrum für Molekularbiologie der Pflanzen an der Universität Tübingen. „Ziel des Erregers ist es, Pflanzenzellen zu töten, um sich anschließend von totem Gewebe ernähren zu können.“ Zu diesem Zweck durchlöchert das Cytolysin die Membran der Pflanzenzellen und schädigt diese damit irreparabel. Die betroffenen Zellen sterben ab.
Phytophthora infestans ist nicht der einzige Erreger, der sich dieser Wirkungsweise bedient, erklärt Albert. Auch das so genannte Pectobacterium carotovorum, das vor allem Wurzeln angreift, oder der im Obst- und Gemüseanbau gefürchtete Botrytis-Pilz setzen das Cytolysin ein. Unklar war allerdings bislang, warum das Gift manche Pflanzenarten aggressiv schädigt, während das Toxin anderen Arten nichts anhaben kann. „Beispielsweise werden die Zellen aller Getreidearten von dem Cytolysin nicht zerstört“, sagte die Tübinger Biologin: „Erreger, wie die Krautfäule bleiben daher bei Getreide unschädlich.“
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Tübingen konnten nun zeigen, dass die Empfindlichkeit gegenüber dem Cytolysin von einem Rezeptor der Pflanzenzelle abhängt, der sich bei verschiedenen Pflanzengruppen deutlich voneinander unterscheidet. In beiden Fällen handelt es sich um eine Molekülkette aus Kohlehydraten und Fetten, doch während Pflanzen wie Kartoffeln oder Tomaten nur über eine kurze Molekülkette verfügen, ist diese bei Getreidepflanzen deutlich länger. „Dieser längere Rezeptor führt offensichtlich dazu, dass das Cytolysin bei Weizen oder Gerste zwar andocken kann, aber nicht an die Membran der Pflanzenzellen herankommt und so auch seine tödliche Wirkung nicht entfalten kann“, berichtete Albert.
Wie Professor Thorsten Nürnberger, der Leiter der Studie, erläuterte, bieten die Eigenschaften der verschiedenen Toxin-Rezeptoren ein erhebliches Anwendungspotenzial: „Zu den Pflanzen, die aufgrund ihres Rezeptors empfindlich auf Cytolysin reagieren, gehören auch viele Unkräuter.“ Hier ergebe sich die Chance, auf der Basis eines mikrobiellen Giftstoffs ein natürliches Herbizid zu entwickeln, das sehr selektiv wirke und damit umweltfreundlicher sei als die heute gebräuchlichen chemischen Total-Herbizide wie beispielsweise Glyphosat.
Eine weitere Perspektive, die sich aus der Studie ergebe, sei die Entwicklung neuartiger biologischer Pflanzenschutzmittel, sagte Nürnberger. So sei es denkbar, mit speziellen Zuckermolekülen das giftige Cytolysin so zu blockieren, dass es nicht mehr an die Pflanzenzellen andocken könne. Auf diese Art und Weise sei ein wirksamer Schutz vor den Angriffen verschiedenster tödlicher Pflanzenkrankheiten vorstellbar.
Publikation:
Tea Lenarčič, Isabell Albert, Hannah Böhm, Vesna Hodnik, Katja Pirc, Apolonija B. Zavec, Marjetka Podobnik, David Pahovnik, Ema Žagar, Rory Pruitt, Peter Greimel, Akiko Yamaji-Hasegawa, Toshihide Kobayashi, Agnieszka Zienkiewicz, Jasmin Gömann, Jenny C. Mortimer, Lin Fang, Adiilah Mamode-Cassim, Magali Deleu, Laurence Lins, Claudia Oecking, Ivo Feussner, Sébastien Mongrand, Gregor Anderluh, Thorsten Nürnberger: Eudicot plant-specific sphingolipids determine host selectivity of microbial NLP cytolysins, Science, 2017. DOI: 10.1126/science.aan6874
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