Quorum sensing in Pflanzen-assoziierten Bakterien

Überblick
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Quorum sensing in Pflanzen-assoziierten
Bakterien
Kathrin Riedel, Susan Schönmann und Leo Eberl
Institut für Pflanzenbiologie,
Lehrstuhl für Mikrobiologie, Universität Zürich
Forschungsergebnisse der letzten Jahre
haben gezeigt, dass eine Vielzahl von
Gram-negativen Bakterien, die in enger
Assoziation mit Pflanzen leben, N-AcylHomoserinlactone (AHL) synthetisieren
können. Diese Moleküle dienen den Bakterien als Signalstoffe, mit deren Hilfe die
Dichte der Population erfasst wird.
Bestimmte bakterielle Verhaltensweisen
treten nur dann zutage, wenn eine entsprechend große Anzahl von Bakterien vorliegt,
ein Regulationsmechanismus, der heute
als „Quorum sensing“ (QS) bekannt ist. Die
kleinste bakterielle Einheit, die zu koordinierten Aktionen befähigt ist, stellt dabei
das „Quorum“ dar[1].
Abb. 1: Schematische Darstellung AHL(N-Acyl-Homoserinlacton)-vermittelter Interaktionen zwischen
Pflanze und Bakterien. Erläuterungen im Text.
QS-Systeme (Abb. 1) bestehen in der Regel aus einer AHL-Synthase (LuxI-Proteinfamilie) und einem AHL-Rezeptor (LuxRProteinfamilie). Bei geringen Populationsdichten produzieren die Zellen mittels der
AHL-Synthase auf geringem Niveau Signalmoleküle, die sich mit steigender Zelldichte in der Umgebung anreichern. Da man
davon ausgeht, dass die AHL-Moleküle frei
durch die bakterielle Zellhülle diffundieren
können, steigt mit zunehmender Populationsdichte auch die intrazelluläre AHLBIOspektrum · 4/05 · 11. Jahrgang
Konzentration. Bei einer bestimmten
Schwellenkonzentration bindet das Signalmolekül an das entsprechende Rezeptorprotein und induziert die Transkription von
Zielgenen, indem der LuxR-AHL-Komplex
an spezifische Sequenzen, die lux-Boxen, im
Promotorbereich der Zielgene bindet. Bisher wurden über 20 verschiedene AHL-Signalmoleküle beschrieben, die sich im Wesentlichen durch die Länge der N-Acyl-Seitengruppe sowie durch Modifikationen an
der Position C-3 unterscheiden.
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Tab. 1: Beispiele für QS-Systeme in Pflanzen-assoziierten Bakterien
Bakterium
Signalmoleküle
regulierte Funktionen
Pflanzen-pathogene Bakterien
Agrobacterium tumefaciens
3-oxo-C8-HSL
Konjugativer Transfer Tumor-induzierender Plasmide
Burkholderia glumae
C8-HSL
Virulenz (Produktion des Phytotoxins Toxoflavin)
Erwinia sp.
3-oxo-C6-HSL
Carbapenem-Biosynthese
Produktion von Zellwand-zersetzenden Exoenzymen
(z. B. Cellulasen und Pektinasen)
Pantoea stewartii
3-oxo-C6-HSL
Pathogenität (EPS-Synthese; Virulenzfaktoren)
Bakterien mit förderlichen Eigenschaften
Burkholderia sp.
C8-HSL
„Biocontrol“ (antifungale und nematozide Eigenschaften)
Biofilmbildung
Pseudomonas aureofaciens
C6-HSL
Antifungale Eigenschaften (Produktion von Phenazin)
Rhizobium sp.
Sinorhizobium sp.
multiple
AHL-Moleküle
(Acylkette C6 – C18)
Symbiose mit Pflanzen
Knöllchenbildung zur Stickstofffixierung
EPS II-Synthese, Plasmidtransfer
Serratia liquefaciens
C4-HSL
Antibiotika-Produktion, Exoenzyme, Schwärmen
Die Produktion von AHL-Signalmolekülen scheint bei Pflanzen-assoziierten Bakterien besonders weit verbreitet zu sein. So
zeigten Cha et al.[2], dass fast alle untersuchten Isolate der Gattungen Agrobacterium,
Pantoea, Rhizobium und mehr als die Hälfte
aller Erwinien und Pseudomonaden AHLSignalmoleküle synthetisieren. Auch in den
Rhizosphären von Weizen und Tomate sind
AHL-Produzenten verschiedener Gattungen mit etwa zehn Prozent der Gesamtpopulation vertreten[3]. Die QS-regulierten
Funktionen in den verschiedenen Pflanzenassoziierten Bakterien sind beispielhaft in
Tabelle 1 zusammengefasst. Es fällt dabei auf,
dass QS-Systeme häufig die pathogenen
oder aber die für die Pflanzen förderlichen
Eigenschaften der Bakterien kontrollieren.
Dieses Phänomen ist bei den Burkholderien
besonders stark ausgeprägt.
gen Rezeptorprotein CepR[6]. Wir konnten
zeigen, dass dieses QS-System die Ausbildung von Biofilmen, Schwärmermotilität,
die Produktion extrazellulärer Proteasen, Siderophore, eines „Biosurfactants“ und weiterer Funktionen reguliert[7, 8] (Abb. 2). Besonders interessant ist die Tatsache, dass das
cep-QS-System sowohl pathogene als auch
nutzbringende Eigenschaften kontrolliert.
So ist die Expression einer Polygalacturonase, die für die Zwiebelpathogenität verantwortlich ist, in B. cepacia ATTC 25416
AHL-reguliert[9]. Eine für die Pflanze vorteilhafte Eigenschaft einiger Burkholderien
ist die Unterdrückung pathogener Pilze und
Nematoden (Abb. 2). Zhou et al.[10] berichteten, dass die antifungale und nematozide
Wirkung von B. ambifaria BC-F – eines
Stammes, der zur Bekämpfung verschiede-
ner bodenbürtiger Krankheiten von Gurke,
Soja und Tomaten eingesetzt wird – QS-reguliert wird. Unsere Untersuchungen haben
gezeigt, dass einige Burkholderien den Nematoden Caenorhabditis elegans nach Ingestion töten[11]. In diesem Infektionsprozess
spielt das cep-QS-System eine zentrale Rolle, da es die Expression des AidA-Proteins
reguliert, das für das Überleben des Bakteriums im Darm des Nematoden essenziell
ist[12].
AHL-vermittelter „cross-talk“ in der
Rhizosphäre von Tomatenpflanzen
Nachdem eine Vielzahl der Rhizobakterien
AHL-abhängige Kommunikationssysteme
aufweisen, vermuteten wir, dass diese Signalmoleküle nicht nur als Kommunikationsmittel zwischen den Zellen einer Art
fungieren, sondern auch artübergreifende
Interaktionen zwischen den verschiedenen
Populationen ermöglichen. Um diese Hypothese zu testen, wurden Biosensoren entwickelt, welche bei Anwesenheit der Signalstoffe das Grün-fluoreszierende Protein
(GFP) exprimieren (Abb. 3A). Diese Biosensoren weisen eine translationale Fusion eines AHL-regulierten Gens mit gfp auf sowie
ein luxR-homologes Gen, das konstitutiv exprimiert wird. Da weder das Plasmid noch
der Wirtsstamm für eine AHL-Synthase kodieren, kommt es nur dann zur Expression
von GFP, wenn AHL-Signalmoleküle von
außen zugegeben werden. In einer Reihe
Quorum sensing in der Gattung
Burkholderia
Vertreter der Gattung Burkholderia sind in
der Natur weit verbreitet und kommen im
Boden, Wasser und in der Rhizosphäre von
Pflanzen vor[4]. Besonders häufig können sie
aus den Rhizosphären verschiedener Gräser
und Kulturpflanzen wie Mais, Weizen, Reis,
Kaffee, Sonnenblumen und Erbsen isoliert
werden. Ursprünglich wurde Burkholderia cepacia als Erreger der Zwiebelfäule beschrieben[5]. Ganz im Gegensatz zu den pathogenen Vertretern der Burkholderien, sind viele andere Arten in der Lage, die Wirtspflanze gegenüber Pathogenbefall zu schützen
und das Pflanzenwachstum zu fördern.
In fast allen bislang untersuchten Burkholderia-Arten konnte das cep-QS-System
nachgewiesen werden. Dieses besteht aus
der AHL-Synthase CepI, welche die Synthese von N-Octanoyl-L-Homoserinlacton
(C8-HSL) katalysiert, sowie dem zugehöri-
Abb. 2: Schematische Darstellung des cep-QS-Systems. Neben der Regulation der Produktion extrazellulärer hydrolytischer Enzyme kontrolliert der CepR/C8-HSL-Komplex auch die Expression fungizider
und nematozider Eigenschaften sowie die Ausbildung von Biofilmen in Burkholderien.
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Abb. 3: (A) Funktionsweise eines auf GFP basierenden AHL-Biosensors. (B) AHL-abhängige intergenerische Kommunikation in der Rhizosphäre. Tomatenwurzeln wurden mit dem AHL-Biosensor und dem
AHL-produzierenden Rhizobakterium Rahnella aquatilis inokuliert. Nach zehntägiger Inkubation wurden die Wurzeln mittels konfokaler Laserscanning-Mikroskopie untersucht. Das Auftreten grün fluoreszierender Zellen weist auf einen AHL-vermittelten „cross-talk“ zwischen den beiden Stämmen hin.
von Experimenten, in denen die verschiedenen Biosensoren zusammen mit ausgewählten AHL-produzierenden Rhizobakterien in den Wurzelraum axenisch gezogener Tomatenpflanzen inokuliert wurden,
konnte eine deutliche Aktivierung der Sensoren beobachtet werden[3] (Abb. 3B). Unsere Experimente zeigten, dass AHL-Signalmoleküle nicht nur innerhalb einer Art, sondern auch über die Artgrenzen hinweg die
Expression von Targetgenen regulieren können. Weiterführende Arbeiten lieferten zudem Hinweise, dass die natürliche mikrobielle Lebensgemeinschaft der Tomatenrhizosphäre AHL-Signalmoleküle in biologisch wirksamen Konzentrationen produziert.
AHL-induzierte systemische Resistenz in
Tomatenpflanzen
Aber nicht nur die Bakterien der Rhizosphäre, sondern auch die Pflanze selbst kann
AHL-Signalmoleküle wahrnehmen. So beeinflusst die Anwesenheit von AHL-Molekülen in der Rhizosphäre von Medicago sativa die Expression von über 200 Proteinen in
den Wurzeln der Pflanze[13]. Um zu untersuchen, ob die Anwesenheit von AHL-Produzenten in der Rhizosphäre einen stimulierenden Effekt auf das Abwehrsystem der
Pflanze hat, wurden Tomatenpflanzen, deren Wurzelraum entweder mit dem AHLproduzierenden Stamm Serratia liquefaciens
MG1 oder einer isogenen AHL-Mutante besiedelt wurden, mit dem Pilz Alternaria alternata infiziert[14]. Dabei zeigte sich, dass es
bei Anwesenheit des AHL-produzierenden
Wildtyps, nicht jedoch bei der Mutante, zu
einer Verminderung der Nekrosenbildung
kam. Es ist seit geraumer Zeit bekannt, dass
die Anwesenheit gewisser Bakterien in der
Rhizosphäre die Resistenz der Pflanze
gegenüber Pathogenbefall erhöht. Diese
„induced systemic resistance (ISR)“ wird
durch generelle Elicitoren, wie Lipopolysaccharide und Flagellin, stimuliert. Dabei
wird ein Jasmonat- und Ethylen-abhängiger
Signalweg in der Pflanze benutzt. Im Gegensatz dazu induzieren nekrotisierende, pathogene Bakterien und Pilze in den oberirdischen Organen eine „systemic acquired resistance (SAR)“, die einen Salicylsäure-abhängigen Signalweg auslöst. Eine Besiedelung der Tomatenwurzel mit dem Wildtyp
MG1 führt sowohl zu einer systemischen Erhöhung der Ethylenbiosynthese in den Blättern als auch zu einem Anstieg der Salicylsäure-Konzentration. Makroarray-Analysen
wiesen nach, dass AHL-Signalmoleküle die
Expression von Abwehrgenen in der Tomatenpflanze stimulieren. Da Hexanoyl-Homoserinlacton als Reinsubstanz sowohl Salicylsäure-, als auch Ethylen- und Jasmonatabhängige Abwehrgene in der Tomatenpflanze induziert, wurde eine neue Form
systemischer Resistenz, die „AHL-induced
resistance (AIR)“, postuliert.
Pflanzen als natürliche Quelle für
QS-Inhibitoren
Nicht nur bei Pflanzen-pathogenen Bakterien wird die Expression von Virulenzfakto
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Susan Schönmann
Kathrin Riedel
geboren 1968; Studium
der Biologie in München; Promotion 1998
am Lehrstuhl für Mikro-
Leo Eberl
geboren 1964; Studium
der Technischen Chemie
an der TU Graz, Österreich; 1992 Promotion;
1992–1996 Postdoc am
geboren 1973; 1997–
2003 Studium der Agronomie an der ETH
Zürich; seit 2003 Doktorarbeit am Lehrstuhl
für Mikrobiologie der
Universität Zürich.
biologie (Prof. Schleifer)
der TU München; 1999–
2000 DFG-Stipendiatin
am BioCentrum der
DTU, Dänemark (Prof.
Molin); 2001–2003
Wiss. Assistentin am
Lehrstuhl für Mikrobiologie der TU München;
seit 2004 Wiss. Oberassistentin und Leiterin
der Proteomgruppe am
Lehrstuhl für Mikrobiologie der Universität
Zürich.
Department of Microbiology der Technischen
Universität Kopenhagen, Dänemark; 1996–
1997 EU-Stipendiat am
Lehrstuhl für Mikrobiologie der TU München;
1998–2002 Wiss. Assistent an der TU München
und Leiter der Arbeitsgruppe bakterielle ZellZell Kommunikation;
2001 Habilitation; seit
2003 Professor für
Mikrobiologie an der
Universität Zürich.
ren häufig durch QS-Systeme kontrolliert,
sondern auch bei humanpathogenen Keimen. Eine Unterbrechung der Kommunikationssysteme stellt somit ein attraktives
Target für die Entwicklung neuer antibakterieller Wirkstoffe dar. Dieser Therapieansatz zielt nicht darauf ab, das Wachstum der
Bakterien zu inhibieren, sondern vielmehr
die Ausprägung von pathogenen Merkmalen zu verhindern, weshalb die Hoffnung besteht, dass es nicht zur Ausbildung bakterieller Resistenzen kommt. Aus der marinen
Makroalge Delisea pulchra wurden verschiedene halogenierte Furanone isoliert, die spezifisch AHL-regulierte Funktionen und so-
mit die Virulenz des opportunistisch pathogenen Bakteriums Pseudomonas aeruginosa
unterdrücken[15]. Da jedoch die Furanone
instabil sind und eine hohe Zytotoxizität aufweisen, ist ihr praktischer Nutzen stark einschränkt. Die Suche nach natürlich vorkommenden QS-Blockern, die keine toxischen
Nebeneffekte aufweisen, stellt daher einen
Schwerpunkt der aktuellen Forschung dar.
Tatsächlich konnten in einigen Lebensmitteln, Gewürzen und traditionellen Heilpflanzen hochwirksame Substanzen nachgewiesen werden, die in der Lage sind, Infektionen mit P. aeruginosa im Tiermodell effektiv zu bekämpfen[16].
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Danksagung:
Unser Dank gilt allen MitarbeiterInnen, besonders jedoch B. Huber, A. Steidle, R.
Schuhegger und S. Gantner, die an den Projekten mitgewirkt haben. Ein Teil der Arbeiten wurde in einem vom BMBF geförderten Projekt gemeinsam mit C. Langebartels und A. Hartmann, GSF-Forschungszentrum, Neuherberg/München, durchgeführt. Unsere Forschungsvorhaben wurden
zudem durch die DFG, den DAAD und den
Mukoviszidose e.V. unterstützt.
Korrespondenzadresse:
Prof. Dr. Leo Eberl
Lehrstuhl für Mikrobiologie
Universität Zürich
Zollikerstraße 107
CH-8008 Zürich
[email protected]
[10] Zhou, H., Yao, F., Robert, D. P., Lessie, T. G.
(2003): AHL-deficient mutants of Burkholderia ambifaria
BC-F have decreased antifungal activity. Curr. Microbiol.
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BIOspektrum · 4/05 · 11. Jahrgang