Nieuws

Bacteriemolecuul verandert planten in zombies

Gepubliceerd op
17 september 2021

Een internationaal team van onderzoekers heeft een manipulatiemechanisme ontdekt waarmee parasitaire bacteriën de ontwikkeling van planten kapen en hun veroudering vertragen waardoor ze als het ware in zombieplanten veranderen. Dit mechanisme voorkomt ook dat planten zich kunnen voortplanten. De ontdekking – waar ook onderzoekers van Wageningen University & Research (WUR) aan hebben meegewerkt - kan nieuwe kansen bieden voor de bescherming van door ziekten bedreigde voedselgewassen.

Parasieten manipuleren de organismen waar ze van leven. Sommige planten die in de ban van een parasiet zijn, ondergaan zelfs zulke ingrijpende veranderingen dat het in feite ‘zombies’ worden die zich niet langer voortplanten en alleen nog dienen als habitat en waardplant voor de parasitaire ziekteverwekkers.

Een internationaal team met daarin wetenschappers van WUR en aangevoerd door het John Innes Centre (JIC, Norwich, VK) heeft zich verdiept in wat er op moleculair en mechanistisch niveau gebeurt in de interactie tussen planten en parasieten. Hun onderzoek heeft geleid tot de identificatie van een door fytoplasma’s (bacteriën) ontwikkeld manipulatiemolecuul waarmee ze de ontwikkeling van planten kapen. Binnen de plant leidt dit eiwit tot de afbraak van belangrijke regulatoren, waardoor een abnormale groei en ontwikkeling wordt veroorzaakt. Een publicatie hierover is verschenen in het gezaghebbende wetenschappelijke tijdschrift Cell.

Zombieplanten en heksenbezems

Fytoplasma’s behoren tot een groep bacteriën die berucht is vanwege hun vermogen om de ontwikkeling van hun waardplanten te herprogrammeren. Deze groep bacteriën is vaak verantwoordelijk voor de ‘heksenbezems’ in bomen, waarbij een buitensporige hoeveelheid takken dicht op elkaar groeit. Deze struikachtige uitwassen zijn het gevolg van een vegetatieve ‘zombie’-toestand waarin de plant is blijven steken, niet in staat om zich voort te planten en in een stadium van ‘eeuwige jeugd’.

Fytoplasma’s kunnen ook verwoestende ziektes bij gewassen veroorzaken, zoals Candidatus Phytoplasma asteris, verantwoordelijk voor aanzienlijke opbrengstverliezen bij granen en bij groenten zoals sla en wortelen. “De identificatie van het manipulatiemolecuul biedt nieuwe inzichten die plantenveredelaars kunnen helpen bij het ontwikkelen van gewassen met een duurzame resistentie tegen fytoplasma’s”, zegt de betrokken hoogleraar Richard Immink, die als onderzoeker is verbonden aan het laboratorium van Moleculaire Biologie van WUR.

Moleculaire prullenbak

De nieuwe resultaten tonen aan hoe het bacterieel eiwit SAP05 planten manipuleert aan de hand van bepaalde moleculaire mechanismen in de waardplant zelf.  Deze machinerie, het proteasoom, breekt normaal gesproken eiwitten af die niet meer nodig zijn in de plantencellen. SAP05 kaapt dit proces, waardoor planteneiwitten die van belang zijn voor de regulering van de groei en ontwikkeling in feite in een moleculaire prullenbak belanden.

Zonder deze eiwitten wordt de ontwikkeling van de plant geherprogrammeerd ten gunste van de bacteriën. Hierdoor komt de groei van meerdere vegetatieve scheuten en weefsels op gang en wordt de veroudering van de plant een halt toegeroepen.

Rol van bacterieel eiwit in detail blootgelegd

Aan de hand van genetische en biochemische experimenten met de modelplant Arabidopsis thaliana heeft het team de rol van SAP05 in detail blootgelegd.

Cell.jpeg

Een interessante uitkomst is dat SAP05 zich rechtstreeks bindt aan de plantaardige ontwikkelingsregulatoren en aan een specifiek deel van het proteasoom. De rechtstreekse binding is een nog niet eerder ontdekt mechanisme om eiwitten af te breken. Normaal gesproken worden eiwitten die door het proteasoom worden afgebroken, vooraf gemarkeerd met het molecuul ubiquitine, maar dat is hier niet het geval.

De plantaardige ontwikkelingsregulatoren die het doelwit zijn van SAP05 en het specifieke onderdeel van het proteasoom, lijken op eiwitten die ook te vinden zijn bij dieren. Daarom was het team benieuwd of SAP05 ook invloed heeft op de insecten die de bacterie overbrengen van de ene plant naar de andere. Ze ontdekten dat de structuur van het proteasoom onderdeel bij dieren in voldoende mate verschilt, zodat er geen interactie is met SAP05, en dat dit dus geen invloed heeft op de insecten.

Weerstand tegen fytoplasma’s

Met dit onderzoek kon het team aantonen dat er slechts twee aminozuren van het plantaardige proteasoom onderdeel nodig zijn voor de interactie met SAP05. Uit hun onderzoek bleek dat wanneer deze twee aminozuren in de plant worden omgeschakeld naar de varianten in insecten, SAP05 zijn werk niet meer kan doen waardoor de abnormale groei van de ‘heksenbezem’ wordt voorkomen.

Dit resultaat biedt de mogelijkheid om alleen deze twee aminozuren in gewassen aan te passen, bijvoorbeeld met behulp van gene-editing, om duurzame weerstand te bieden tegen fytoplasma’s en de effecten van SAP05. 

Internationale samenwerking

Het onderzoek is gefinancierd door Human Frontiers en maakt deel uit van een samenwerking tussen The Sainsbury Laboratory (JIC, Norwich, VK), WUR en Academia Sinica (Taiwan).