Soziale Verhaltensweisen bei Pseudomonas syringae enthüllt

Bakterien sind winzige Lebewesen, die fast überall zu finden sind, auch im Boden und auf Pflanzen. Sie können miteinander interagieren und ihr Verhalten basierend auf diesen Interaktionen verändern. Einige Bakterien können erkennen, welche anderen Bakterien verwandt sind und welche nicht, und sie passen ihr Verhalten entsprechend an. Das kann zu Verhaltensweisen führen, die ihnen helfen, von ihren Verwandten zu profitieren.

Zum Beispiel wachsen bestimmte Bakterien so, dass sie ihre Verwandten anders behandeln als Nicht-Verwandte. Sie helfen ihren Verwandten vielleicht mehr als unverbundenen Bakterien. Man kann diese Verhaltensweisen beobachten, wenn sie auf speziellen Medien gezüchtet werden, die es ihnen ermöglichen, sich zu bewegen und zu wachsen.

Ein spezifisches Bakterium, Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000, ist bekannt dafür, Pflanzen wie Tomaten und Arabidopsis zu schädigen. Dieses Bakterium findet man überall auf der Welt und oft coexistiert es mit anderen Bakterien. In dieser Studie schauten Wissenschaftler, wie Pst DC3000 mit anderen Bakterien aus der Familie der Enterobacteriaceae interagiert, um sein Verhalten besser zu verstehen.

Pst DC3000 hat ein System, das es ihm ermöglicht, mit anderen Bakterien zu kommunizieren und Strukturen zu nutzen, die ihm helfen, zu überleben und mit ihnen zu konkurrieren. Frühere Studien haben gezeigt, dass Pst DC3000 sich anders verhält, wenn es in der Nähe von unverbundenen Bakterien ist, im Vergleich dazu, wenn es in der Nähe seiner eigenen Art ist. Die Wissenschaftler wollten verstehen, wie diese Interaktionen das Wachstum und die Ausbreitung von Pst DC3000 beeinflussen.

#Sozial induzierte Beweglichkeit

In dieser Forschung entdeckten die Wissenschaftler ein neues Verhalten bei Pst DC3000. Als sie es auf weichem Agar zusammen mit einer anderen Bakterienart züchteten, zeigte Pst DC3000 Anzeichen von erhöhtem Bewegungsdrang und Wachstum in Richtung der anderen Bakterien. Dieses Verhalten wurde nur beobachtet, wenn Pst DC3000 in der Nähe unverbundener Bakterien war und trat nicht auf, wenn es in der Nähe seiner eigenen Art war.

Die Wissenschaftler konnten ein spezielles Experiment erstellen, um dieses Verhalten genauer zu messen. Sie platzierten eine Kolonie von Pst DC3000 und einen nicht-motilen Stamm von E. Coli oder einem anderen unverbundenen Bakterium in einer kontrollierten Umgebung. Indem sie beobachteten, wie Pst DC3000 sich in Richtung der Bait-Bakterien ausbreitete, fanden sie heraus, dass es signifikant mehr in diese Richtung wuchs als ohne die Baits.

Pst DC3000 zeigte unterschiedliche Kolonienformen, je nach Art des Baits, dem es ausgesetzt war. In der Nähe von E. coli oder dem anderen Stamm dehnten sich die Kolonien mehr aus und sahen anders aus im Vergleich zu Kolonien, die ohne Bait wuchsen. Das deutet darauf hin, dass die Anwesenheit einer anderen Art beeinflussen kann, wie Pst DC3000 wächst und sich bewegt.

#Baited Expansion Verhalten

Die Forscher massen das Wachstum von Pst DC3000, als es durch verschiedene Stämme gebaitet wurde. Sie entdeckten, dass Pst DC3000, wenn es in der Nähe von E. coli oder D. dianthicola platziert wurde, eine grössere Ausbreitung in deren Richtung zeigte. Die Kolonien bildeten asymmetrische Formen, wobei die Seite, die dem Bait am nächsten war, grösser und weniger dicht war.

Dieses Verhalten wurde quantifiziert, indem gemessen wurde, wie weit die Kolonien sich in Richtung des Baits ausbreiteten, im Vergleich zur gegenüberliegenden Seite. Die Ergebnisse zeigten eine klare Neigung, wie Pst DC3000 sich in Richtung des Baits bewegte. Der signifikante Unterschied in der Ausbreitung zeigte, dass die Bakterien auf die Anwesenheit der anderen Stämme reagierten.

Als sie testeten, ob die Ausbreitung auch ohne den lebenden Bait stattfinden würde, schufen sie ein konditioniertes Medium, in dem E. coli auf einer Membran gewachsen und dann entfernt worden war. Pst DC3000-Kolonien, die in diesem Medium gewachsen waren, dehnten sich mehr aus als die in unkonditionierten Medien, zeigten jedoch nicht die gleiche gerichtete Neigung. Das deutet darauf hin, dass ein Faktor, der von den Bait-Bakterien produziert wird, notwendig ist, um die Bewegung von Pst DC3000 zu lenken.

#Wachstum und Beweglichkeit

Die Wissenschaftler wollten herausfinden, ob die erhöhte Ausbreitung von Pst DC3000, wenn es gebaitet wurde, auf Wachstum oder erhöhte Bewegung zurückzuführen war. Sie verglichen die Anzahl der Bakterien in gebaiteten Kolonien mit denen in ungebaiteten Kolonien. Überraschenderweise war die Gesamtzahl der Zellen ähnlich, unabhängig von der Anwesenheit des Baits. Das bedeutet, dass die beobachteten Unterschiede in der Ausbreitung wahrscheinlich auf Veränderungen in der Bewegung der Zellen zurückzuführen sind, und nicht auf ein Wachstum der Zellen.

Weitere Experimente zeigten, dass die Zellen an der führenden Kante der gebaiteten Kolonien nicht nur zahlreicher, sondern auch aktiver waren im Vergleich zu den weiter entfernten Zellen. Als sie sich die Bewegung dieser Zellen genauer ansahen, fanden sie heraus, dass die Zellen in der Nähe des Baits schneller bewegten als die, die weiter weg waren.

#Transkriptom-Analyse

Um diese Verhaltensweisen auf einer tieferen Ebene zu verstehen, untersuchten die Wissenschaftler die Gene, die in den verschiedenen Teilen der Pst DC3000-Kolonien exprimiert wurden. Sie entnahmen Proben von Zellen von den Rändern der Kolonien in der Nähe des Baits und verglichen sie mit Zellen von Kolonien, die nicht gebaitet waren. Die Analyse ergab, dass die Zellen, die näher am Bait waren, unterschiedliche Muster in der Genexpression hatten.

Von den tausenden Genen in Pst DC3000 identifizierten sie eine signifikante Anzahl, die in den Zellen in der Nähe von E. coli und D. dianthicola unterschiedlich exprimiert wurden. Das deutet darauf hin, dass die Bakterien ihre genetische Aktivität anpassen, als Reaktion darauf, in der Nähe anderer Arten zu sein, was ihr Verhalten beeinflusst.

Unter den identifizierten Genen waren einige, die an Prozessen beteiligt sind, die mit dem Stoffwechsel zusammenhängen, was darauf hindeutet, dass diese eine Rolle bei den beobachteten Verhaltensweisen spielen könnten. Die Studie lieferte Einblicke, wie Bakterien mit ihrer Umgebung kommunizieren und ihr Verhalten anhand sozialer Hinweise ändern.

#Die Rolle des Molybdän-Kofaktors

Eine interessante Erkenntnis aus der Genexpressionsstudie war mit der Biosynthese des Molybdän-Kofaktors verbunden. Das ist ein entscheidender Prozess, den Bakterien nutzen, um ein notwendiges Element herzustellen, das für verschiedene biologische Funktionen benötigt wird. Die Forscher konzentrierten sich auf zwei spezifische Gene, die mit diesem Prozess verbunden sind: moaA und moeA.

Als sie das moaA-Gen entfernten, zeigte Pst DC3000 eine reduzierte Schwimmfähigkeit und zeigte nicht das gebaitete Ausbreitungsverhalten. Im Gegensatz dazu führte die Entfernung des moeA-Gens zum Verlust des gebaiteten Wachstums, beeinträchtigte jedoch nicht die normale Schwimmfähigkeit von Pst DC3000. Das deutet darauf hin, dass der Molybdän-Kofaktor speziell an sozial induzierter Bewegung beteiligt ist, anstatt an der grundlegenden Beweglichkeit.

Durch das Studium dieser Genlöschungen kamen die Forscher zu dem Schluss, dass die Biosynthese des Molybdän-Kofaktors für das gebaitete Ausbreitungsverhalten von Pst DC3000 entscheidend ist. Das deutet darauf hin, dass ein komplexes regulatives Netzwerk vorhanden ist, das bestimmt, wie Bakterien sich in sozialen Kontexten bewegen.

#Fazit

Zusammenfassend hebt diese Forschung ein neuartiges Verhalten bei Pst DC3000 hervor, das als gebaitete Ausbreitung bekannt ist. Dieses Verhalten ermöglicht es den Bakterien, sich auf unverbundene Arten zuzubewegen, was zu einer erhöhten Kolonienaustreibung führt. Die Studie zeigt, dass Umweltfaktoren und die Anwesenheit anderer bakterieller Arten erheblichen Einfluss darauf haben, wie Pst DC3000 sich verhält und mit seiner Umgebung interagiert.

Die Ergebnisse werfen auch Licht auf die genetischen Mechanismen, die diesen sozialen Interaktionen zugrunde liegen, insbesondere die Rolle des Molybdän-Kofaktors bei der Regulierung der Bewegung. Diese Forschung trägt dazu bei, unser Verständnis des bakteriellen Verhaltens und wie soziale Interaktionen Wachstum und Beweglichkeit beeinflussen, zu erweitern.

Durch das Aufdecken dieser Interaktionen eröffnet die Studie neue Möglichkeiten, wie Bakterien in natürlichen Umgebungen funktionieren und wie sie möglicherweise in landwirtschaftlichen Anwendungen manipuliert werden können, um Pflanzenkrankheiten effektiv zu managen. Zukünftige Forschungen können auf diesen Erkenntnissen aufbauen, um tiefer in die molekularen Prozesse einzutauchen, die mit bakteriellem Verhalten und sozialen Interaktionen verbunden sind.