Interaktionen von Stenotrophomonas rhizophila

Salzbelastete Böden erlangen weltweit immer größere ökologische und wirtschaftliche Bedeutung. In unseren Untersuchungen konnten wir zeigen, dass das Isolat P69 von Stenotrophomonas rhizophila (DSM 14405) insbesondere in salzhaltigen Böden das Pflanzenwachstum fördert und die Pflanze vor bodenbürtigen Pathogenen schützt. Die Mechanismen sowie ihr Wechselspiel mit dem Salzgehalt des Habitats sind weitgehend unverstanden; eigene Voruntersuchungen zeigten jedoch eine starke Korrelation zwischen Wirkung und Salinität. Für das Überleben in salzhaltigen Habitaten ist die Fähigkeit zur Osmolytakkumulation entscheidend. Für S. rhizophila wurde die Synthese der Osmolyte Trehalose und Glucosylglycerol nachgewiesen. In diesem Forschungsprojekt soll die Interaktion von S. rhizophila mit Pflanzen sowie mit dem phytopathogenen Pilz Verticillium dahliae untersucht werden. Weitere Experimente werden sich mit den Auswirkungen von Salzstress und der Rolle der Osmolytsynthese in diesem Interaktionssystem befassen. Die geplanten Experimente umfassen molekulare Techniken in Kombination mit konfokaler Laserscanning-Mikroskopie. Mit unseren neuen Erkenntnissen wollen wir Wege für eine umweltfreundliche und effiziente Kontrolle von Schaderregern in salzbelasteten Böden ebenen.

Die Gattung Stenotrophomonas beherbergt verschiedene Arten, die sich in Bezug auf ihren Lebensraum und ihre Interaktionen mit Wirten stark unterscheiden. Während zahlreiche S. maltophilia-Stämme fakultativ humanpathogen sind, gehören die Stämme der Spezies S. rhizophila hingegen zu den nützlichen pflanzenassoziierten Bakterien ohne klinisches, aber dafür mit hohem biotechnologischen Potenzial. Ziel unseres Projektes war es, die Interaktion von Stenotropmonas mit seinen Wirtspflanzen, mit pathogenen Pilzen sowie mit der a-biotischen Umwelt insbesondere mit hohen Salinitäten zu charakterisieren. Wir haben herausgefunden, dass die positive Pflanzen-Bakterien-Interaktionen mittels Quorum-Sensing über das DSF (Diffusible Signal Factor)-System gesteuert wird. Das System reguliert eine Reihe von physiologisch bedeutenden Genen, was zur besseren Samenkeimung, Pflanzenbesiedlung sowie einem generellen Pflanzenstärkungseffekt führt. Ein weiterer Teil dieser Arbeit beschäftigte sich mit der funktionellen Charakterisierung des Genoms von S. rhizophila DSM14405T. Dieser Stamm weist einen ausgeprägten Pflanzenstärkungs- und Schutzeffekt auch unter salinen Bedingungen auf. Das Genom wurde mit dem vom pflanzenassoziierten S. maltophilia R551-3 sowie mit dem klinischen S. maltophilia K279a verglichen; hierbei zeigte sich eine starke Ähnlichkeit aller drei Genome. Insbesondere die hohe genetische Gemeinsamkeit mit S. maltophilia K279a war auffällig und führte zu der Frage, welche genetischen und regulatorischen Faktoren für die gänzlich kontroverse Entwicklung der beiden Bakterien in Bezug auf den Lebensraum und somit auch auf die Interaktionen zuständig sind. Die Genomvergleiche ließen uns eine Reihe S. rhizophila-spezifischer Gene feststellen, welche für die positive Rolle von S. rhizophila an der Pflanze entscheidend sind. In der weiteren Folge wurden Transkriptom-Studien durchgeführt, um den Effekt von Salzstress zu untersuchen. Hier konnten wir feststellen, dass die Gene für die Synthese und Ausscheidung des Osmolyts Glucosylglycerol eine wichtige Rolle bei der hohen Salzresistenz von S. rhizophila DSM14405T spielen. Für S. rhizophila-Zellen, die mit Wurzelexudaten behandelt wurden, wurde zusätzlich eine Veränderung des Lebensstils festgestellt. Sie wechselten von einem planktonisch in ein sesshaftes Leben, was durch eine starke Abnahme der Flagellen-Motilität gemessen wurde. Spermidin, als Pflanzenwachstums-Regulator und Anti-Stress Substanz bereits beschrieben, wurde neu für die Pflanzeninteraktion identifiziert. Zusammengefasst trugen diese Arbeiten zu einem besseren Verständnis sowie zur Aufdeckung neuer, dem Pflanzenschutzeffekt zugrunde liegenden Mechanismen von Stenotrophomonas bei. Darüber hinaus dienen die Untersuchungsergebnisse als Basis für eine sichere und effiziente Nutzung von S. rhizophila DSM14405T als biologisches Stressschutzmittel für Pflanzen.