Jena, Germany
October 16, 2015
Post-graduate student Florian Rümpler is the lead author of the publication, which explains how phytoplasmas destroy the life cycle of plants. - Foto: Jürgen Scheere/FSU
It begins as a fairy tale which later turns into a horror story: Lusciously flowering plants, surrounded by a large number of insects. Usually, both sides profit from the encounter: Feasting on the plant juice and pollen, the insects pollinate the flowers and thus secure the survival of the plants. However, sometimes the insects - in this case a certain species of leafhoppers - can bring disaster to the plants, which they are not able to overcome.
"The insects transmit bacteria, so-called phytoplasmas, which destroy the life cycle of the plants," says Prof. Dr. Günter Theißen of Friedrich Schiller University Jena (Germany). Instead of blossoming, the afflicted specimens only form vestigial leaf structures and thus prevent sexual reproduction. "These plants become the living dead," the geneticist points out. "Eventually they only serve the spread of the bacteria." Therefore, the scientists also call these plants 'zombies'.
Prof. Theißen and his Jena team have just succeeded in making a significant contribution to understanding the molecular-biological reasons for this phenomenon. In the latest issue of the science magazine 'Trends in Plant Science' the researchers explain how the parasites interfere with the development of plants in such a disastrous manner and inflict a 'zombie' existence on them (DOI: 10.1016/j.tplants.2015.08.004).
Normal development of the blossom permitted
One of the main culprits is a protein called SAP54, explains the post-graduate student Florian Rümpler, the lead author of the publication. "This protein comes from the bacteria and bears a strong structural resemblance to proteins which form a regulatory complex inside the plant, which permits a normal development of the blossom." On basis of modelling studies, the Jena scientists were able to show that SAP54 imitates the structure of certain MADS-domain-proteins in the infected plants that perfectly that they connect with SAP54 instead of their own proteins. This eventually leads to the degradation of the MADS-domain-proteins, so that they can no longer fulfil their normal function within the regulatory complexes of the blossom development. "This prevents the formation of petals and flower organs," Rümpler explains. Another unanswered question is where the similarity of the molecules comes from. "It is conceivable that both proteins trace back to a common origin," Rümpler says. "However we suspect that this is not the case." Hence, the research team of Jena University postulates in their new publication that the bacterial protein has in the course of its evolution adapted so precisely to its host.
Whether the new findings will be put into practical use one day remains to be seen. The phenomenon of the phytoplasma infestation has been known for a long time; e.g. fruit growers and allotment gardeners refer to it as 'broom growth' on apple trees, and also for winegrowers and plant breeders, phytoplasmoses occasionally lead to drops in yield. "Although, we understand the infection process better now, we are not yet able to prevent it," Theißen says. Nevertheless, he and his colleagues consider the new findings a promising basis for further fundamental research. The impact of the phytoplasma infection could for instance be useful for a better understanding of the genesis of blossoms in the course of evolution.
Original Publication:
Rümpler F et al. Did convergent protein evolution enable phytoplasmas to generate 'zombie plants'? Trends in Plant Science, 2015, DOI: 10.1016/j.tplants.2015.08.004).
Wie aus Pflanzen Zombies werden - Genetiker klären molekulare Ursachen für bakterielle Pflanzenkrankheit auf
Es liest sich ein wenig wie eine Horror-Geschichte, an deren Anfang eine Idylle steht: Üppig blühende gesunde Pflanzen, umschwärmt von zahlreichen Insekten. Von ihrem Besuch profitieren gewöhnlich beide Seiten. Während die Insekten sich an Pflanzensaft und Pollen laben, bestäuben sie Blüten und sichern so den Fortbestand der Pflanzen. Doch manchmal bringen die Insekten - in diesem Fall bestimmte Zikaden - auch schweres Unheil, aus dem es für die Pflanzen kein Entkommen gibt.
"Die Insekten übertragen Bakterien, sogenannte Phytoplasmen, die den Lebenszyklus der Pflanzen zerstören", sagt Prof. Dr. Günter Theißen von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Statt Blüten bilden die befallenen Exemplare nur noch verkümmerte Blattstrukturen aus, eine geschlechtliche Fortpflanzung ist so nicht mehr möglich. "Diese Pflanzen werden zu lebenden Toten", veranschaulicht der Genetiker, "die nur noch zur Verbreitung der Bakterien dienen." Daher bezeichnen die Wissenschaftler sie auch als "Zombies".
Prof. Theißen und seinem Jenaer Team ist es jetzt gelungen, einen wesentlichen Beitrag zur Aufklärung der molekularbiologischen Grundlagen dieses Phänomens zu leisten. In der soeben erschienenen Ausgabe der Fachzeitschrift "Trends in Plant Science" erklären die Forscher, wie die Parasiten derartig verheerend in die Entwicklung der Pflanzen eingreifen und ihnen ein Schicksal als "Zombie" auferlegen (DOI: 10.1016/j.tplants.2015.08.004).
Ausbildung von Blüten wird verhindert
Hauptverantwortlich dafür ist ein Eiweiß mit Namen SAP54, erläutert Doktorand Florian Rümpler, der Erstautor der Publikation. "Dieses Eiweiß stammt aus den Bakterien und ähnelt in seiner Struktur sehr stark einem Eiweiß, das in der Pflanze gemeinsam mit anderen Proteinen einen regulatorischen Komplex bildet, der für eine normale Blütenentwicklung sorgt." Wie die Jenaer Forscher anhand von Modellierungsstudien zeigen konnten, ahmt SAP54 in den infizierten Pflanzen die Struktur bestimmter pflanzeneigener MADS-Domänen-Proteine so perfekt nach, dass diese an SAP54 statt an ihresgleichen binden. Dies führt letztlich zur Degradierung der MADS-Domänen-Proteine, so dass sie ihre normale Funktion in den regulatorischen Komplexen der Blütenentwicklung nicht mehr ausüben können. "Das verhindert die Ausbildung von Blütenblättern und -organen", erklärt Rümpler.
Weiterhin ungeklärt sei die Frage, woher die Moleküle ihre Ähnlichkeit haben. "Denkbar wäre, dass beide Eiweiße auf einen gemeinsamen Ursprung zurückgehen", sagt Rümpler. "Wir vermuten jedoch etwas anderes." So stellt das Wissenschaftlerteam der Jenaer Uni in der aktuellen Publikation die These auf, dass sich das Bakterien-Eiweiß erst im Laufe der Evolution so präzise an seinen Wirt angepasst hat.
Ob sich die neuen Erkenntnisse irgendwann praktisch nutzen lassen, bleibt abzuwarten. Das Phänomen des Phytoplasmenbefalls ist bereits seit langem bekannt; Obstbauern und Kleingärtner kennen es beispielsweise als sogenannten "Besenwuchs" an Apfelbäumen und auch im Weinanbau oder der Pflanzenzucht führen Phytoplasmosen immer wieder zu Ertragsausfällen. "Auch wenn wir den Infektionsprozess jetzt besser verstehen, haben wir bislang keine Möglichkeit, diesen zu verhindern", so Theißen. Dennoch sehen er und seine Kollegen in den neuen Erkenntnissen einen vielversprechenden Ansatz für die weitere Grundlagenforschung. So könnten die Auswirkungen eines Phytoplasmabefalls beispielsweise dafür genutzt werden, die Entstehung der Blüte im Laufe der Evolution besser nachzuvollziehen.
Original-Publikation:
Rümpler F et al. Did convergent protein evolution enable phytoplasmas to generate 'zombie plants'? Trends in Plant Science, 2015, DOI: 10.1016/j.tplants.2015.08.004).
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