ECF Sigmafaktoren: Wie Endophyten die Pflanze wahrnehmen

Endophyten sind Bakterien und Pilze, die zumindest Teile ihres Lebens im Inneren von Pflanzen leben und keine Krankheitssymptome verursachen. Die meisten Endophyten stammen aus der Rhizosphere und besiedeln die Pflanze über die Wurzle. Beim Übertritt vom Boden in die Pflanze erfahren Bakterien einen sehr raschen und starken Wechsel in den Umgebungsbedingungen, was mit Sicherheit Stress in ihnen auslöst. Das Überleben der Bakterien hängt im hohen Maße davon ab, wie schnell sie sich an die neuen Gegebenheiten anpassen können. Eine erfolgreiche Anpassung dürfte durch Änderungen im genetischen Programm als Antwort auf bestimmte Signale aus der Umwelt passieren. Im Rahmen dieses Projekts möchten wir die Frage beantworten, ob bakterielle Endophyten zelloberflächenassoziierte Signalstrukturen, wie extracytoplasmatische (ECF) Sigmafaktoren nutzen, um Stimuli von der Pflanze wahrzunehmen und ihre Genexpression zu adjustieren. Als Modellorganismus werden wir das pflanzenwachstumsfördernde Bakterium Burkholderia phytofirmans PsJN untersuchen, das die Endosphere als auch die Rhizosphere einer Vielzahl von Pflanzen besiedeln kann. Wir planen die ECF Sigmafaktorgene von B. phytofirmans PsJN zu isolieren und zu charakterisieren. Quantitative PCR Analyse soll jene ECF Sigmafaktorgene identifizieren, die auf pflanzliche Signale reagieren. Jene ECF Gene werden ausgeschalten und Mutanten werden auf ihre Fähigkeit untersucht, Kartoffelpflänzchen zu besiedeln und deren Wachstum zu fördern. Überexpression der ECF Gene und anschließender Vergleich der Transkriptome mit nicht induzierten Kontrollen wird jene Gene identifizieren, die von einem bestimmten ECF Sigmafaktor als Reaktion auf ein Pflanzensignal reguliert werden. Abschließend sollen diese Resultate in einem in vivo Versuch mittels quantitativer Expressionsanalyse bestätigt werden.

Endophyten sind Bakterien und Pilze, die zumindest Teile ihres Lebens im Inneren von Pflanzen leben ohne dabei der Pflanze zu schaden. Im Gegenteil, viele Endophyten stimulieren das Wachstum, die Gesundheit und die Stressresistenz ihrer Wirtspflanzen. Dass Bakterien Pflanzen aktiv besiedeln und Pflanzen oft positiv auf Endopyhten reagieren, ist gut dokumentiert. Kaum verstanden ist aber, welche Effekte die Pflanzen auf Endophyten hat. Wie zum Beispiel reagieren endophytische Bakterien auf physiologische Veränderungen in Pflanzen, die unter abiotischem Stress leiden? Fühlen Bakterien den Pflanzenstress? Welche Mechanismen nutzen endophytische Bakterien, um Stresssignale der Pflanze zu erkennen? Das Überleben von Bakterien unter geänderten Umweltbedingungen hängt im hohen Maße davon ab, wie schnell sie sich an die neuen Gegebenheiten anpassen können. Eine erfolgreiche Anpassung passiert meist durch Änderungen im genetischen Programm als Antwort auf bestimmte Signale aus der Umwelt. Bakterien verwenden dafür typischerweise zelloberflächenassoziierte Signalstrukturen, wie zum Beispiel extracytoplasmatisch wirkende (ECF) Sigmafaktoren. Dieses Signaltransduktionssystem besteht aus einem Rezeptor auf der Zelloberfläche, einem Regulator der an der Innenseite der Zellmembran lokalisiert ist und daran gebunden ist ein ECF Sigmafaktor. Trifft ein Signal aus der Umwelt auf den Rezeptor, wird der ECF Sigmafaktor freigesetzt und aktiviert die Expression seiner Zielgene. Im Rahmen dieses Projekts gingen wir der Frage nach, ob bakterielle Endophyten ECF Sigmafaktoren nutzen, um Signale von der Pflanze wahrzunehmen und ihre Genexpression anzupassen und wie endophytische Bakterien auf Pflanzenstress reagieren. Hierfür untersuchten wir die Genexpression in Burkholderia phytofirmans PsJN während der Besiedelung von Kartoffelpflänzchen, die unter Trockenstress litten. Unsere Analysen ergaben, dass PsJN in der Pflanze ECF Sigmafaktoren exprimiert und die Expression von zumindest einem ECF Sigmafaktorgene war signifikant erhöht, wenn die Wirtspflanze Trockenstress ausgesetzt war. Dies deutet darauf hin, dass B. phytofirmans PsJN aktiv die physiologischen Bedingungen in der Wirtspflanze wahrnahm und hierfür zelloberflächenassoziierte Signalstrukturen nützte. Darüber hinaus reagierte PsJN mit einer Änderung der Genexpression auf Stress der Wirtspflanze. Die Transkripte für Transkriptionsregulatoren, Molekülen zur Erhaltung des zellulären Gleichgewichts und Detoxifizierung von reaktiven Sauerstoffspezies waren signifikant erhöht, während die Expression von Genen des allgemeinen Stoffhaushalts reduziert war. Diese Ergebnisse zeigen, dass B. phytofirmans PsJN auf die physiologischen Veränderungen in der Pflanze, ausgelöst durch Trockenstress, reagierte und seinerseits eine Stressantwort einleitete. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass B. phytofirmans PsJN in der Lage ist, die Bedingungen in der Wirtpflanze aktiv wahrzunehmen und sich an geänderte Bedingungen anzupassen.