Die Rolle von Phagen im Pflanzenschutz

Viren, die Bakterien infizieren, bekannt als Phagen, sind in verschiedenen Umgebungen sehr verbreitet und spielen eine wichtige Rolle bei der Gestaltung mikrobielle Gemeinschaften. Eine Möglichkeit, wie sie das tun, ist, indem sie sich in Bakterienzellen replizieren. Wenn sie das tun, platzen die Bakterienzellen auf und geben ihren Inhalt in die Umgebung frei. Dieser Prozess ist besonders wichtig in den Ozeanen, wo Phagen jeden Tag einen erheblichen Teil der Nährstoffe freisetzen, die von Bakterien gehalten werden.

Phagen sind oft spezifisch für bestimmte Bakterienarten. Das bedeutet, dass ein bestimmter Phagentyp normalerweise nur eine Art von Bakterienspezies oder sogar spezifische Stämme dieser Spezies angreift. Wegen dieser Spezifität können verschiedene Bakterien in einer Gemeinschaft unterschiedlich von Phagen betroffen sein. Das kann beeinflussen, welche Bakterien gedeihen oder in der Anzahl abnehmen, wodurch sich die Wettbewerb-Dynamik unter ihnen verändert.

Einige Phagen können auch Bakterien angreifen, die Krankheiten bei Pflanzen oder Tieren verursachen. Diese Phagen könnten den Organismen helfen, Infektionen abzuwehren, da sie in Körperteilen häufiger vorkommen, die oft Pathogenen ausgesetzt sind. Phagen, die schädliche Bakterien angreifen, haben Interesse als mögliche Lösung zur Behandlung von Krankheiten bei Menschen, Tieren und Pflanzen geweckt. Ihre Fähigkeit, gezielt Bakterien zu infizieren und sich zusammen mit resistenten Stämmen anzupassen, macht sie zu einem wertvollen Werkzeug im Umgang mit solchen Krankheiten.

Im Gegensatz dazu haben Phagen, die nicht direkt schädliche Bakterien angreifen, nicht so viel Aufmerksamkeit erhalten. Dennoch wurden Veränderungen in Phagen-Gemeinschaften bei vielen Krankheiten beobachtet, die Pflanzen und Tiere betreffen. Das deutet darauf hin, dass diese Phagen auch das Risiko von Krankheiten beeinflussen könnten. Zu bestimmen, ob eine veränderte Phagen-Gemeinschaft eine Ursache, ein Ergebnis oder einfach ein Signal für Krankheiten ist, erfordert sorgfältige Studien. Experimente, die die Anwesenheit und die Arten von Phagen verändern, sind entscheidend, um zu verstehen, wie sie das Risiko von Krankheiten beeinflussen.

#Einfluss von Phagen auf Krankheiten

Phagen können Krankheiten durch verschiedene Mechanismen beeinflussen, die zusammenarbeiten könnten. Eine Möglichkeit ist, dass Pflanzen oder Tiere Phagen erkennen können, was ihre Immunantworten beeinflussen könnte. Phagen haben ähnliche Merkmale wie einige Viren, die Säugetiere infizieren, und sie können sogar Immunantworten bei Menschen und Mäusen auslösen. Zum Beispiel wurde ein Phagentyp von Pseudomonas aeruginosa gefunden, der eine Reaktion auslöst, die die Fähigkeit des Immunsystems verringert, die bakterielle Infektion zu bekämpfen, was die Infektion verschlimmert.

Ein weiterer Weg, wie Phagen Krankheiten beeinflussen können, ist durch ihren Einfluss auf Bakterien. Wenn Phagen Bakterien zerstören, kann das das Immunsystem dazu bringen, auf das zu reagieren, was aus diesen Bakterien freigesetzt wird. Zum Beispiel können beim Zerfall von Bakterien Substanzen wie Lipopolysaccharid freigesetzt werden, die von den Immunsystemen sowohl von Pflanzen als auch von Tieren erkannt und darauf reagiert werden kann.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, wie Phagen helfen könnten, Krankheiten zu reduzieren. Sie könnten (a) direkt die Anzahl schädlicher Pathogen-Bakterien verringern, (b) die Anzahl anderer Bakterien im Mikrobiom, die Pathogenen helfen, reduzieren oder (c) das Wachstum dominanter Bakterien unterdrücken, wodurch andere nützliche Bakterien gedeihen können. Umgekehrt könnten Phagen auch zur Krankheit beitragen, indem sie (d) schützende Bakterien im Mikrobiom reduzieren oder (e) die Immunantworten des Wirts so verändern, dass sie Pathogenen helfen.

Phagen könnten auch die Zusammensetzung des gesamten Mikrobioms verändern, was beeinflussen kann, wie Krankheiten entstehen. Die Fähigkeit schädlicher Bakterien, Wirte zu infizieren, hängt oft davon ab, wie sie mit anderen Mikroben in der Umgebung interagieren. Einige nützliche Bakterien können mit Pathogenen um Ressourcen konkurrieren, während andere die Abwehrmechanismen von Pflanzen aktivieren oder unterdrücken oder Substanzen produzieren können, die direkt Pathogene abwehren. Daher kann die Zusammensetzung der Phagen-Gemeinschaft beeinflussen, wie anfällig eine Pflanze oder ein Tier für Krankheiten ist, indem sie das Gleichgewicht von hilfreichen und schädlichen Bakterien verändert.

Zum Beispiel wurden Variationen in der bakterielle Welkekrankheit bei Tomatenpflanzen mit der Anwesenheit spezifischer Bakterien und ihrer assoziierten Phagen in Verbindung gebracht. Wenn Tomatenpflanzen mit Bakterien behandelt wurden, die die Krankheit hemmen, zeigten sie eine grössere Resistenz. Diese Schutzwirkung ging jedoch verloren, als die Phagen, die mit diesen Bakterien assoziiert waren, ebenfalls vorhanden waren, was auf eine komplexe Interaktion zwischen diesen Mikroben hinweist.

Ein weiteres wichtiges Merkmal von Phagen ist ihre Fähigkeit, spezifisch bestimmte Stämme oder Arten von Bakterien abzutöten. Ökologische Modelle legen nahe, dass, wenn eine Bakterienspezies in der Anzahl zunimmt, auch die entsprechenden Phagen zunehmen, was die Bakterienpopulation verringert. Indem sie dominante Bakterien einschränken, können Phagen Platz für andere, möglicherweise nützliche Bakterien schaffen, die sonst abgenommen oder verschwunden wären.

#Forschung zu den Auswirkungen von Phagen

In dieser Forschung wollten wir herausfinden, ob Phagen die Reaktion von Pflanzen auf Krankheiten verändern können und ob sie dies tun, indem sie schädliche Bakterien angreifen oder das Mikrobiom von Bakterien, die mit den Pflanzen leben, verändern. Dazu sammelten wir Blätter von Tomatenpflanzen, die in Feldern angebaut wurden, und trennten ihre bakteriellen und viralen Gemeinschaften mithilfe von Grössenfilter-Techniken. Dann mischten wir diese Gemeinschaften zusammen oder separat auf neue Tomatenblätter in kontrollierten Experimenten. Diese Methode ähnelt einigen traditionellen ökologischen Studien, die untersuchen, wie top-down Prozesse die Gemeinschaftsstruktur gestalten können.

Nachdem wir die Pflanzen mit diesen mikrobiellen Gemeinschaften behandelt hatten, setzten wir sie Pseudomonas Syringae aus, einem häufigen bakteriellen Pathogen, das viele Pflanzen, einschliesslich Tomaten, betrifft. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Zugabe von nützlichen Mikroben zu Tomatenblättern das Wachstum von Pseudomonas syringae und die damit verbundenen Krankheitssymptome begrenzen kann. Unsere Ergebnisse zeigten, dass die schützende Wirkung des Mikrobioms reduziert wurde, wenn die Phagen-Gemeinschaft fehlte. Darüber hinaus fanden wir heraus, dass die Rolle der Phagen im Schutz nicht einfach durch ihre direkten Effekte auf den Pathogen oder durch die Stimulation des Immunsystems der Pflanze erklärt werden konnte; stattdessen hing sie von der Anwesenheit ihrer spezifischen bakteriellen Wirte ab.

#Die Rolle von Phagen im Mikrobiom-Schutz

Um zu bewerten, wie Phagen zum Schutz vor bakteriellen Infektionen beitragen, haben wir mikrobiellen Gemeinschaften von Tomatenpflanzen entnommen und ihre assoziierten Phagen entfernt. Dann haben wir diese Gemeinschaften, mit oder ohne ihre Phagen, auf junge Tomatenpflanzen angewendet und sie mit Pseudomonas syringae herausgefordert. Wir massten die Anzahl der Bakterienzellen in den Blättern nach einem Tag, da dieses Mass mit dem Schweregrad der Krankheit korreliert.

In unseren Ergebnissen zeigten Tomaten, die sowohl mit dem Mikrobiom als auch mit Phagen behandelt wurden, etwa 35% weniger Pseudomonas syringae-Bakterien im Vergleich zu unbehandelten Kontrollpflanzen. Keine einzelne Behandlung nur mit dem Mikrobiom oder nur mit den Phagen bot allein Schutz, was darauf hindeutet, dass ihre Wechselwirkungen entscheidend für diesen Effekt waren.

In einem Folgeexperiment wiederholten wir denselben Prozess in einer anderen Feldsaison. Nach der Behandlung von Tomaten mit einer allgemeineren Stamm von Pseudomonas syringae fanden wir erneut, dass die Kombination von Mikrobiom und Phagen die Bakterienpopulationen signifikant im Vergleich zu Kontrollen reduzierte.

#Untersuchung der Interaktionen zwischen Phagen und Pathogenen

Eine Frage, die wir beantworten wollten, war, ob die Phagen halfen, indem sie direkt Pseudomonas syringae infizierten. Obwohl wir einige Chancen erwarteten, dass sie Phagen beinhalteten, die das tun könnten, waren die Effekte allein von Phagen nicht genug, um eine direkte Wirkung anzuzeigen. Um zu überprüfen, kultivierten wir die Phagen-Gemeinschaften zusammen mit den Bakterien, um zu sehen, ob einige Phagen sie infizieren könnten. In einem Fall produzierte eine spezifische Phagen-Gemeinschaft Plaques auf den Bakterienplatten, was auf eine direkte Interaktion hindeutet. Allerdings hielten die Gesamtergebnisse auch dann noch, als dieses spezifische Datenset aus der Analyse entfernt wurde, was darauf hindeutet, dass die direkte Infektion durch einen einzelnen Phagen nicht der Hauptgrund für den beobachteten schützenden Effekt war.

Wir untersuchten auch, ob der Filtrationsprozess möglicherweise andere Substanzen wie Lipopolysaccharid konzentriert haben könnte, die unabhängig von Phagen die Immunantworten der Pflanzen auslösen könnten. Doch Tests zeigten, dass die direkte Anwendung von Lipopolysaccharid auf die Pflanzen die Besiedelung von Pseudomonas syringae nicht beeinflusste, was bestätigte, dass die schützende Wirkung, die wir sahen, spezifisch für die Interaktionen war, die sowohl Phagen als auch ihre bakteriellen Wirte betrafen.

#Untersuchung der Identitätseffekte des Mikrobioms

Als Nächstes erkundeten wir, ob die Fähigkeit von Phagen, Pseudomonas syringae-Populationen zu begrenzen, von den Arten bakterieller Gemeinschaften abhängt, mit denen sie gepaart wurden. Wir trennten die Phagen-Gemeinschaften in verschiedene Gruppen basierend auf ihrem Sammelort, einschliesslich Mischungen von derselben Tomatenpflanze, benachbarten Pflanzen, anderen Pflanzenarten oder Pflanzen aus verschiedenen Feldern.

Als wir die Tomatenpflanzen mit Phagen von benachbarten Pflanzen behandelten, zeigten diese anfänglich mehr Versprechen bei der Reduzierung der bakteriellen Besiedlung als Phagen von ihrer eigenen Pflanze. Das deutet darauf hin, dass Phagen aus nahegelegenen Quellen möglicherweise besser mit dem lokalen Mikrobiom funktionieren. Die einzige Ausnahme war eine Phagen-Gemeinschaft, die einen Pseudomonas-angreifenden Phagen enthielt, der die Bakterienpopulationen unabhängig von seiner Herkunft signifikant reduzierte.

Um besser zu verstehen, wie sich die Phagen von benachbarten Pflanzen unterschieden, analysierten wir die Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaften nach den Behandlungen. Bemerkenswerterweise verursachten Phagen von derselben Pflanze eine grössere Veränderung in der bakteriellen Gemeinschaft verglichen mit denen von Nachbarpflanzen, was wahrscheinlich auf intensivere Infektionsdynamiken zurückzuführen ist. Das deutete darauf hin, dass Phagen von derselben Pflanze Bedingungen schaffen könnten, unter denen auch nützliche Bakterien negativ betroffen werden.

#Fazit

Lange Zeit konzentrierte sich die Forschung über Bakterien in klinischen Umgebungen nur auf schädliche Bakterien. Doch das aufkommende Feld der Mikrobiome zeigt, dass die meisten Mikroben eine nützliche Rolle spielen und Gesundheit und Krankheit beeinflussen. Unsere Arbeit hebt hervor, dass Phagen auch eine wichtige Rolle beim Management von Pflanzenkrankheiten, die durch schädliche Bakterien, insbesondere Pseudomonas syringae, verursacht werden, spielen.

Die Ergebnisse zeigten, dass, wenn Phagen und mikrobiellen Gemeinschaften auf Tomatenblätter angewendet wurden, sie die Besiedlung durch schädliche Bakterien signifikant reduzieren konnten. Dieser schützende Effekt war über verschiedene Jahreszeiten hinweg und gegen mehrere Stämme von Pseudomonas syringae konsistent.

Phagen-Gemeinschaften beeinflussen möglicherweise die Rolle des Mikrobioms in der Krankheitsresistenz durch verschiedene Methoden. Während einige Phagen direkt schädliche Bakterien angreifen können, deutet unsere Forschung darauf hin, dass ihr Hauptbeitrag durch Interaktionen mit der mikrobiellen Gemeinschaft erfolgt. Phagen scheinen die bakterielle Gemeinschaft zu modifizieren, sodass nützliche Bakterien gedeihen können, während sie den Wettbewerb zwischen ihnen managen.

Unsere Ergebnisse deuten auf eine komplexe Beziehung zwischen Phagen und ihren nützlichen Rollen in der Pflanzenimmunität hin. Das zeigt, dass mehr Fokus auf Phagen in Studien zu den Effekten des Mikrobioms auf Krankheiten nötig ist, da sie ungenutztes Potenzial zur Verbesserung unseres Verständnisses von mikrobieller Gesundheit in Pflanzen bergen.