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27. Jun 2019

Kluge Winzlinge

Sie sind unvorstellbar klein, können aber großen Schaden anrichten: Dr. Sigrid Neuhauser beschäftigt sich mit einzelligen Parasiten namens Phytomyxea, die Pflanzen und Algen befallen, ohne sie zu töten. Sie kommen von Böden bis zum Meer überall vor, sind bisher aber wenig erforscht. Dem wird am Innsbrucker Institut für Mikrobiologie nun ein Ende bereitet.

Vor etwa 100 Jahren wurden Pyhtomyxea erstmals beschrieben, aber aufgrund ihrer Größe, sie sich im Bereich weniger tausendstel Millimeter bewegt, können diese Parasiten erst seit wenigen Jahren im Detail „betrachtet“ werden. „Kleine Aliens“ ist die Bezeichnung, die Sigrid Neuhauser dafür wählt: „Die winzig kleinen Parasiten sind Einzeller und können verschiedenste Wirte aus der Pflanzen- und Algenwelt befallen“, erklärt Neuhauser. Eine Pflanzengruppe, die in diesem Zusammenhang von besonderem Interesse ist, ist jene der Kohlgewächse. Der Erreger Plasmodiophora brassicae, eine Untergruppe der Phytomyxea, befällt Kohlgewächse und verursacht die so genannte Kohlhernie. „Diese Krankheit zählt zu einer der wirtschaftlich bedeutsamsten Krankheiten von Kohlpflanzen und ist für etwa 10 Prozent des weltweiten Ernteausfalls verantwortlich“, sagt die Forscherin. Der Erreger ist auch in Tirol ein Problem. „Bei uns werden befallene Pflanzen oft Klumpfüße genannt“, erzählt Neuhauser. Diese Bezeichnung ist durchaus bildlich zu verstehen: Die Parasiten befallen die Wurzeln der Kohlgewächse und verursachen die Bildung von Wurzelklumpen. „Nach der Infizierung mit dem Parasit macht die Pflanze nicht mehr das, was wir gerne von ihr hätten, nämlich wachsen und Samen ausbilden. Sie investiert den Großteil der Energie in ihre Wurzeln – sehr zum Wohlwollen des Parasiten“, erklärt die Mikrobiologin. „Der Parasit macht aus der Pflanze sozusagen einen Zombie“. Neben Kohl, Kraut oder Brokkoli zählen auch Raps oder Futterrüben als weitere wichtige Kulturpflanzen zu den Betroffenen. Bisher gibt es keine Möglichkeiten der nachhaltigen Bekämpfung: „Pythomyxea zeichnen sich durch eine sehr kluge Vorgehensweise aus und haben eine Reihe erstaunlicher Eigenschaften“, so Neuhauser.

Kohlgewächse sind besonders betroffen: Ein Befall durch den winzigen Parasiten kann zu Ernteeinbußen führen. Phytomyxea kommen auch bei uns vor, vielleicht ist man den klumpigen Wurzeln beim „Garteln“ schon einmal begegnet. Bild credit: Sigrid Neuhauser

Kohlgewächse sind besonders betroffen: Ein Befall durch den winzigen Parasiten kann zu Ernteeinbußen führen. Phytomyxea kommen auch bei uns vor, vielleicht ist man den klumpigen Wurzeln beim „Garteln“ schon einmal begegnet. Bild credit: Sigrid Neuhauser

„Selbstinjektion“

Es ist nicht nur die Größe, die die Erforschung der Einzeller zu einer Herausforderung macht. Phytomyxea sind eine eigenständige Gruppe von Organismen, die sich in der Evolutionsgeschichte völlig unabhängig von Tieren, Pflanzen, Algen oder Pilzen entwickelte und somit mit keiner bekannten Gruppe verwandt ist. „Daher wissen wir noch relativ wenig über sie“, verdeutlicht Neuhauser. Ihre eigenständige Entwicklungsgeschichte macht es außerordentlich schwierig zu verstehen, welche grundlegenden Mechanismen der Interaktion zwischen Parasit und Wirt zugrunde liegen.

Ihre Vorgehensweise konnte die Forscherin allerdings bereits beobachten: Sobald die Einzeller einen passenden Wirt gefunden haben, beginnt der Infektionsprozess: Im Fall der Kohlgewächse hängen sie sich an die Wurzel an und bilden einen Stachel bzw. ein Rohr. „Dann injizieren sie sich mit Gewalt selbst in die Wurzelzellen, vergleichbar mit einer Spritze“, sagt die Mikrobiologin. Ist das geschafft, beginnt die Zellteilung. Im Zuge dieser Vermehrung erhält die Pflanze ein Signal, das dazu führt, dass das Wachstum der Wurzeln stark forciert wird und der Parasit den von ihm gewünschten Platz zur weiteren Ausbreitung erhält. „Welche Prozesse der Parasit während der Infektion genau in Gang setzt, können wir im Moment nur vermuten“, so Neuhauser. Zu komplex seien die Abläufe. Fest steht aber, dass der Wirt dabei nicht abstirbt. Vom „Töten“ sehen die Phytomyxea ab, da sie zwingend auf einen lebenden Wirt angewiesen sind, dem sie die Energie entziehen können. „Stirbt der Wirt, sterben die Parasiten auch. Sie scheinen also zu wissen, wie weit sie gehen können“.

Angriff

Den komplexen Lebenszyklus der Phytomyxea untersucht die Mikrobiologin im Labor. Dazu werden Pflanzen gezüchtet und einer kontrollierten Infektion mit einer Suspension von Sporen der Parasiten ausgesetzt. Wichtigstes Arbeitsgerät ist dabei das Mikroskop. Nach einer gewissen Wartezeit werden Proben entnommen und als mikroskopische Präparate vorbereitet. Die gesamte Aufmerksamkeit der Forscherin gilt dann den Abläufen auf genetischer Ebene. „Ich sehe mir an, welche Gene im Zuge der Infektion aktiv sind und zwar sowohl in der Pflanze als auch im Parasit“, beschreibt Neuhauser ihre Arbeit. Um zu sehen, welche Gene in den verschiedenen Stadien des „Angriffs“ relevant sind, werden DNA-Sequenzen in den Zellen mit speziellen Markern ausgestattet, die im Falle einer Aktivität zu leuchten beginnen. „Diese kleinen Lämpchen ermöglichen mir mithilfe der Fluoreszenz-Mikroskopie aktive Gene zu verfolgen und zu bestimmen, welche Gene im Entwicklungsverlauf eine Rolle spielen – und wozu sie benötigt werden“. Die Analysen auf der Ebene einzelner Zellen hält die Forscherin für unbedingt notwendig, um zu analysieren, wie der Parasit die Abwehrmechanismen der Wirte umgehen kann. „Erst wenn wir dieses komplexe ‚Austricksen’ verstehen lernen, werden wir dazu in der Lage sein, Strategien zur Bekämpfung der Krankheitserreger zu entwickeln“.

Befallene Algen

Diese Gegenstrategien sind nicht nur für die Pflanzenwelt von Bedeutung, sondern auch für die „Wälder der Meere“, die Algen. Besonders Braunalgen sind vom Befall einer Art der Phytomyxea betroffen. „Die Infektion führt zu einer Ausbildung von Gallen und damit einer Destabilisierung: die Algen reißen leichter ab“, erklärt Neuhauser. Braunalgen sind in der Herstellung einiger Kosmetika von Bedeutung, sollen aber in gezüchteter Form künftig Grundlage für die Herstellung von Biodiesel werden – und das möglichst ohne Beeinträchtigungen durch Parasiten-Befall. Dass Phytomyxea Pflanzen und Algen unter Anwendung identischer Mechanismen befallen, war eine überraschende Erkenntnis für Neuhauser. „Algen und Pflanzen sind etwa so nahe miteinander verwandt wie wir Menschen mit Pilzen. Dass sie in der Lage sind diese sehr verschiedenen Wirte zu infizieren, hat mich wirklich erstaunt“. Bis ein „Heilmittel“ gefunden sein wird, gilt es noch zahlreiche offene Fragen zu klären, denen sich Sigrid Neuhauser im Rahmen ihres Projektes, dessen Hauptteil Ende des Jahres beginnen wird, widmen wird. Für ihr Projekt „Hi-Phy: Interaktionen von Phytomyxea und ihren Wirten – Untersuchungen basierend auf Transkriptom Analysen und In-Situ Transkript Visualisierung“ wurde die Mikrobiologin 2014 mit dem START-Preis des Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF) ausgezeichnet.

*Source: Universität Innsbruck

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