RSS-Feed VBIO http://www.vbio.de/ Aktuelle News de_DE VBIO Fri, 03 Dec 2021 11:47:50 +0100 Fri, 03 Dec 2021 11:47:50 +0100 News news-20559 Fri, 03 Dec 2021 11:20:09 +0100 So gut schützen Masken https://www.vbio.de/aktuelles/so-gut-schuetzen-masken Sogar drei Meter Abstand schützen nicht. Selbst bei dieser Distanz dauert es keine fünf Minuten, bis sich eine ungeimpfte Person, die in der Atemluft eines Corona-infizierten Menschen steht, mit fast 100prozentiger Sicherheit ansteckt. Das ist die schlechte Nachricht. Die gute ist: Wenn beide gut sitzende medizinische oder noch besser FFP2-Masken tragen, sinkt das Risiko drastisch. Wie gut, welche Masken bei welcher Trageweise schützen, hat ein Team des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen in einer umfassenden Studie untersucht. Dabei bestimmten die Forschenden für zahlreiche Situationen das maximale Infektionsrisiko und berücksichtigten einige Faktoren, die in ähnlichen Untersuchungen bislang nicht einbezogen wurden. Wie groß die Gefahr einer Ansteckung mit dem Coronavirus ist, hat auch das Göttinger Team überrascht. „Wir hätten nicht gedacht, dass es bei mehreren Metern Distanz so schnell geht, bis man aus der Atemluft eines Virusträgers die infektiöse Dosis aufnimmt“, sagt Eberhard Bodenschatz, Direktor am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation. Denn auf diese Distanz hat sich die Atemluft schon kegelförmig im Raum verbreitet; entsprechend verdünnt werden die infektiösen Partikel. Die besonders großen und damit besonders virusreichen Partikel fallen zudem schon nach einer kurzen Strecke durch die Luft zu Boden. „Trotzdem haben wir in unserer Studie auch in drei Metern Entfernung noch ein enormes Ansteckungsrisiko festgestellt, wenn man Infizierten mit einer hohen Viruslast, wie sie bei der vorherrschenden Delta-Variante des Sars-CoV-2-Virus auftritt, für ein paar Minuten begegnet und keine Maske trägt“, sagt Eberhard Bodenschatz. Und solche Begegnungen sind etwa in Schulen, Gaststätten, Clubs oder gar im Freien unvermeidbar.

Gut sitzende FFP2-Masken senken das Risiko mindestens in den Promillebereich

So hoch das Infektionsrisiko ohne Mund-Nasenschutz auch ist, so effektiv schützen medizinische oder FFP2-Masken. Die Göttinger Studie untermauert, dass FFP2- oder KN95-Masken infektiöse Partikel besonders wirkungsvoll aus der Atemluft filtern – vor allem wenn sie an den Rändern möglichst dicht abschließen. Tragen sowohl die infizierte als auch die nicht-infizierte Person gut sitzende FFP2-Masken, beträgt das maximale Ansteckungsrisiko nach 20 Minuten selbst auf kürzeste Distanz kaum mehr als ein Promille. Sitzen ihre Masken schlecht, steigt die Wahrscheinlichkeit für eine Infektion auf etwa vier Prozent. Tragen beide gut angepasste OP-Masken, wird das Virus innerhalb von 20 Minuten mit höchstens zehnprozentiger Wahrscheinlichkeit übertragen. Die Untersuchung bestätigt zudem die intuitive Annahme, dass für einen wirkungsvollen Infektionsschutz vor allem die infizierte Person eine möglichst gut filternde und dicht schließende Maske tragen sollte.

Die Ansteckungswahrscheinlichkeiten, die das Max-Planck-Team ermittelt hat, geben jeweils die obere Grenze des Risikos an. „Im täglichen Leben ist die tatsächliche Infektionswahrscheinlichkeit sicherlich 10- bis 100-mal kleiner“ sagt Eberhard Bodenschatz. Denn die Luft, die an den Rändern aus der Maske strömt, wird verdünnt, sodass man nicht die gesamte ungefilterte Atemluft abbekommt. Das haben wir aber angenommen, weil wir nicht für alle Situationen messen können, wieviel Atemluft eines Maskenträgers bei einer anderen Person ankommt, und weil das Risiko so konservativ wie möglich berechnen wollten“, erklärt Bodenschatz. „Wenn unter diesen Bedingungen sogar das größte theoretische Risiko klein ist, ist man unter realen Bedingungen auf der ganz sicheren Seite.“ Für den Vergleichswert ohne den Schutz einer Maske fällt der Sicherheitspuffer jedoch deutlich kleiner aus. „Für eine solche Situation können wir die Virusdosis, die eine ungeschützte Person einatmet, mit weniger Annahmen bestimmen“, sagt Gholamhossein Bagheri, der als Forschungsgruppenleiter  am  Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation an der aktuellen Studie maßgeblich beteiligt war.

„Maske-Tragen an Schulen ist eine gute Idee“

Das Göttinger Team hat bei seinen Berechnungen des Ansteckungsrisikos einige Faktoren berücksichtigt, die in vergleichbare Abschätzungen bislang nicht eingeflossen sind. So haben die Forschenden untersucht, wie ein schlechter Sitz der Maske den Schutz schwächt und wie sich das verhindern lässt. „Die Membranen von FFP2- oder KN95-Masken, aber auch von manchen medizinischen Masken filtern extrem effektiv“, sagt Gholamhossein Bagheri. „Das Ansteckungsrisiko wird dann von der Luft, die an den Rändern der Maske aus- und einströmt dominiert.“ Dazu kommt es, wenn der Rand der Maske nicht dicht am Gesicht anliegt. In aufwendigen Versuchen haben Bagheri, Bodenschatz und ihr Team gemessen, in welcher Größe und Menge Atempartikel an den Rändern unterschiedlich gut sitzender Masken vorbeiströmen. „Eine Maske lässt sich an die Gesichtsform hervorragend anpassen, wenn man ihren Metallbügel vor dem Aufsetzen zu einem abgerundeten W biegt“, sagt Eberhard Bodenschatz. „Dann gelangen die ansteckenden Aerosolepartikel nicht mehr an der Maske vorbei, und auch Brillen beschlagen nicht mehr.“

Das Team hat zudem bedacht, dass Tröpfchen, die Menschen beim Atmen oder Sprechen verbreiten, in der Luft trocknen und leichter werden. Dadurch bleiben sie länger in der Luft, haben jedoch eine erhöhte Viruskonzentration verglichen mit den Tröpfchen direkt nach Austritt. Beim Einatmen passiert wiederum das Gegenteil: Die Partikel nehmen wieder Wasser auf, wachsen wie ein Tropfen in der Wolke und bleiben daher leichter in den Atemwegen hängen.

Auch wenn die detaillierte Analyse der Göttinger Max-Planck-Forscher zeigt, dass dicht abschließende FFP2-Masken im Vergleich zu gutsitzenden OP-Masken 75 mal besser schützen und die Trageweise einer Maske einen deutlich Unterschied macht: Auch medizinische Masken reduzieren das Ansteckungsrisiko schon deutlich im Vergleich zu einer Situation ganz ohne Mund-Nasenschutz. „Deshalb ist es so wichtig, dass die Menschen in der Pandemie eine Maske tragen“, sagt Gholamhossein Bagheri. Und Eberhard Bodenschatz ergänzt: „Unsere Ergebnisse zeigen noch einmal, dass das Maske-Tragen an Schulen und auch generell eine gute Idee ist.“

Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation


Originalpublikation:

Gholamhossein Bagheri, Birte Thiede, Bardia Hejazi, Oliver Schlenczek, Eberhard Bodenschatz: An upper bound on one-to-one exposure to infectious human respiratory particles, Proceedings of the National Academy of Sciences Dec 2021, 118 (49) e2110117118; DOI: 10.1073/pnas.2110117118

https://doi.org/10.1073/pnas.2110117118

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Coronavirus-News Niedersachsen
news-20558 Fri, 03 Dec 2021 11:16:18 +0100 Damaged telomeres in the elderly may increase susceptibility to SARS-CoV-2 https://www.vbio.de/aktuelles/damaged-telomeres-in-the-elderly-may-increase-susceptibility-to-sars-cov-2 A group of Italian and American researchers led by Fabrizio d’Adda di Fagagna now reports that the expression of the cell receptor for the virus, ACE2, which is essential for mediating cell entry of the virus, increases in the lungs of aging mice and humans. They further show that ACE2 expression increases upon telomere shortening or dysfunction – common hallmarks of aging – in cultured human cells and in mice. This increase depends on a DNA damage response elicited by dysfunctional telomeres. The findings published today by EMBO Reports provide one possible molecular explanation for the increased sensitivity of elderly people to SARS-CoV-2. The reasons for the higher probability of severe symptoms and death in the elderly in response to a SARS-CoV-2 infection remain unclear. ACE2 expression has been positively related to patients’ age, for example in the nasal epithelium, the first point of contact with SARS-CoV-2. Lower ACE2 expression in children relative to adults may explain why COVID-19 is less prevalent in children, and the expression and distribution of the ACE2 receptor may be relevant for the progression and prognosis of COVID-19. The research findings now show that ACE2 protein expression is elevated in aging human and mouse lungs, including in alveolar epithelial type II cells (ATII). In the lungs, ACE2 is mostly found on the surface of ATII cells, and these cells are thus likely the primary target of SARS-CoV-2 infection in the lungs. SARS-CoV-2 mainly spreads via respiratory droplets and the lung is the first target organ of the virus. Indeed, pneumonia is the most common complication seen in COVID-19 patients, at an occurrence of 91%.

In order to reveal the molecular mechanism underlying the upregulation of ACE2 during aging, the researchers turned to in vitro and in vivo models that recapitulate some key aspects of aging. Aging is associated with telomere shortening and damage in a range of tissues in different species, including humans. Telomeres are the regions at the ends of linear chromosomes that are essential to protect chromosome ends from shortening during repeated cell replication cycles, which would result in the loss of crucial genetic information. When telomeres become critically short, they are sensed as DNA breaks and activate DNA damage response pathways. D’Adda di Fagagna working at IFOM in Milan and CNR-IGM in Pavia and colleagues either inhibited the general DNA damage response by targeting ATM, a major enzyme of the DNA damage response pathway, or they inhibited the telomeric DNA damage response specifically using telomeric antisense oligonucleotides (tASO). Both approaches prevent ACE2 gene and protein upregulation following telomere damage in aging cultured cells and in mice. The group also used a cell culture model in which the DNA damage response is activated specifically at telomeres in the absence of telomere shortening, with the same results. These findings indicate that it is the DNA damage response activation, rather than telomeric shortening per se, that is responsible for ACE2 upregulation. Understanding the mechanism of age susceptibility to SARS-CoV-2 infection is important for targeted therapeutic approaches, which might in principle include the use of tASO-mediated inhibition of the telomeric DNA damage response.

ACE2 also has a role in the regulation of blood pressure and the balance of fluids and salts and is expressed in other human tissues, for example the heart and kidney. The findings reported here may thus also have broader medical implications beyond COVID-19.

However, further research is needed to establish whether reducing ACE2 expression has beneficial effects on SARS-CoV-2 infection rates and on the severity of COVID-19 symptoms in in vivo models. Further work also needs to be carried out to understand how DNA damage response signaling leads to increased Ace2 gene expression.

EMBO


Originalpublikation:

Sara Sepe, Francesca Rossiello, Valeria Cancila, Fabio Iannelli, Valentina Matti, Giada Cicio, Matteo Cabrini, Eugenia Marinelli, Busola R. Alabi, Alessia di Lillo, Arianna Di Napoli, Jerry W. Shay, Claudio Tripodo and Fabrizio d’Adda di Fagagna:DNA damage response at telomeres boosts the transcription of SARS-CoV-2 receptor ACE2 during aging, EMBO Reports, DOI: 10.15252/embr.202153658
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Coronavirus-News Baden-Württemberg
news-20557 Fri, 03 Dec 2021 11:07:36 +0100 Spinnen-Männchen im Orbit um gefräßiges Weibchen https://www.vbio.de/aktuelles/spinnen-maennchen-im-orbit-um-gefraessiges-weibchen Forschende finden heraus, wie die Männchen der Goldenen Seidenspinne trotz ihres einfachen Gehirns bei der Partnersuche Anziehung und Abstoßung austarieren Eine falsche Bewegung und es ist um ihn geschehen – die Suche nach einer Partnerin ist für das Männchen der Goldenen Seidenspinne äußerst gefährlich: Es darf sich seiner Herzensdame in ihrem Netz nur sehr vorsichtig nähern, denn das kannibalistisch veranlagte und sehr viel größere Weibchen wird ihn ansonsten fressen. Das Männchen muss außerdem gleichzeitig die Konkurrenz durch andere Männchen berücksichtigen, die sich ebenfalls in der Arena des Netzes tummeln. Ganz schön kompliziert für das winzige Spinnengehirn. Forschende des Max-Planck-Instituts für Verhaltensbiologie in Konstanz haben zusammen mit einem Team des Weizmann-Instituts in Israel herausgefunden, wie Spinnen das mit ihrem einfach aufgebauten Gehirn schaffen.

"Wir starteten unsere Forschung mit der Vermutung, dass sich die Spinnen im Netz wie Elektronen oder Planeten verhalten, die einen Atomkern, beziehungsweise einen Stern im All umkreisen", erklärt Alex Jordan vom Max-Planck-Institut für Verhaltensbiologie. Daraus entstand ein Forschungsprogramm, für das die beiden Teams ein physikalisches Modell entwickelten und Experimente im panamaischen Regenwald durchführten.

Auch wenn die Details der physikalischen Abläufe auf atomarer und kosmischer Ebene von den Verhältnissen im Netz abweichen, erwiesen sich die Analogien als nützlich. "Das große kannibalistische Weibchen kann man sich als einen Atomkern oder einen Stern vorstellen, um den Elektronen, beziehungsweise Planeten – in unserem Fall die Männchen – kreisen", sagt Jordan. Nähern sich die Elektronen oder Planeten schnell oder im falschen Winkel, wird die Anziehungskraft so stark, dass sie in den Kern, beziehungsweise den Stern stürzen. Genauso erginge es dem Spinnen-Mann: Mit einer falschen Annäherung verschlingt ihn die tödliche Anziehungskraft und endet als Mittagessen. "In den Regenwäldern Panamas habe ich oft beobachtet, wie übereifrige Männchen den kannibalischen Weibchen zum Opfer fielen, vor allem, wenn sie den falschen Weg einschlugen oder sich dem Weibchen zu schnell näherten", sagt Sylvia Garza, eine der Autorinnen der Studie. Die Wissenschaftlerin zeichnete in Panama monatelang das Verhalten von männlichen und weiblichen Spinnen auf und verfolgte mit Hilfe maschinellen Lernens jede ihrer Bewegungen.

Anziehung und Abstoßung

So wie Elektronen und Planeten auch eine eigene Anziehungskraft haben, ziehen sich auch die Männchen gegenseitig an: Zunächst nähern sie sich dem vermeintlichen Rivalen. Mit zunehmender Annäherung stoßen sich die Männchen dann gegenseitig ab und verhalten sich ähnlich wie um ihr Zentrum kreisende Elektronen oder Planeten. "Die Bewegung der Spinnen-Männchen ähnelt den Wechselwirkungen zwischen Teilchen, die sich je nach Abstand gegenseitig anziehen oder abstoßen", sagt Amir Haluts, Weizmann-Instituts, Physiker und Hauptautor der Studie. Nir Gov, Weizmann-Instituts, fügt hinzu: "Mit unseren Computermodellen können wir die physikalischen Kräfte, denen die Männchen ausgesetzt sind, abbilden und ihre Bewegung im Netz sowie den Wettbewerb zwischen Männchen unterschiedlicher Größe erklären.“

Die Männchen spüren die Vibrationen des Netzes mit den Beinen, die ihre Konkurrenten auslösen und mit denen sie untereinander kommunizieren. Wenn sich die Männchen beim Umkreisen zu nahe kommen, führt das zu Kämpfen. Auch das Weibchen wird dadurch auf ihre Anwesenheit aufmerksam und kann einen tödlichen Angriff starten. Die Forschungsergebnisse des Teams zeigen, dass die scheinbar komplexen Entscheidungen der Männchen, mit denen sie Leben und Tod abwägen, keine fortgeschrittene Intelligenz oder ein Verständnis für die Vorgänge erfordern. Stattdessen können die Tiere die richtigen Entscheidungen treffen, indem sie lediglich die Vibrationen im Netz erfassen und darauf reagieren wie Elektronen und Planeten auf physikalische Kräfte. "Zu Beginn war ich verblüfft über unsere früheren Ergebnisse, denen zufolge die Männchen die komplexen Aufgaben ohne ein hoch entwickeltes Gehirn kognitiven Apparat lösen können. Ich scherzte mit Nir, es sei fast so, als ob diese Männchen Elektronen seien, die um den weiblichen 'Kern' kreisen. Wir haben sie deshalb „atomare Spinnen“ genannt. Es stellte sich heraus, dass diese Bezeichnung gar nicht so weit von der Wirklichkeit entfernt ist", sagt Jordan.

Max-Planck-Institut für Verhaltensbiologie


Originalpublikation:

Amir Haluts, Sylvia F. Garza Reyes, Dan Gorbonos, Robert Ian Etheredge, Alex Jordan, Nir S. Gov: Spatiotemporal dynamics of animal contests arise from effective forces between contestants, Proceedings of the National Academy of Sciences Dec 2021, 118 (49) e2106269118; DOI: 10.1073/pnas.2106269118

https://doi.org/10.1073/pnas.2106269118

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Wissenschaft Baden-Württemberg
news-20556 Fri, 03 Dec 2021 10:41:14 +0100 Massenaussterben durch Vulkanausbrüche https://www.vbio.de/aktuelles/massenaussterben-durch-vulkanausbrueche Am Ende des Erdzeitalters Ordovizium, vor rund 450 Millionen Jahren, kühlte sich die Erde drastisch ab. Rund 85 Prozent aller Tierarten starben aus. Verantwortlich für die Eiszeit und damit für das zweitschlimmste Massenaussterben der Erdgeschichte könnten womöglich zwei Perioden mit intensivem Vulkanismus gewesen sein, berichtet ein Team um den Oldenburger Geochemiker Dr. Jack Longman nun in der Zeitschrift Nature Geoscience. Die Forschenden der britischen Universitäten Southampton, Leeds und Plymouth untersuchten die Auswirkungen gewaltiger Vulkanausbrüche auf die Ozeanchemie. Das Ende des Ordoviziums war von klimatischen Kapriolen geprägt: Nach einer ausgeprägten Warmzeit kühlte sich der Planet stark ab, einige Kontinente vereisten, und die Schelfmeere fielen trocken. Das Leben war damals noch fast ausschließlich auf die Ozeane beschränkt, und zahlreiche Gattungen und Familien von damals häufigen Lebewesen – etwa Moostierchen, den muschelähnlichen Armfüßern oder den an Kellerasseln erinnernden Trilobiten – starben aus.

„Einer Theorie zufolge hat eine Zunahme von Phosphor in den Ozeanen die globale Abkühlung ausgelöst“, sagt Hauptautor Longman, Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe Marine Isotopengeochemie am Institut für Chemie und Biologie des Meeres der Universität Oldenburg und zuvor Postdoktorand an der Universität Southampton. „Phosphor ist eines der Schlüsselelemente des Lebens“, so der Forscher weiter, es fördere das Wachstum kleiner Meereslebewesen wie Algen. Wenn diese Organismen absterben, setzen sie sich am Meeresboden ab. So wird Kohlenstoff, den die Algen während ihres Lebens aufnehmen, nach und nach im Sediment begraben. Algenblüten können daher dazu beitragen, den Gehalt des Treibhausgases Kohlendioxid in der Atmosphäre zu reduzieren, was wiederum die Temperaturen auf der Erde sinken lässt.

„Es ist jedoch ein ungelöstes Rätsel, warum Eiszeit und Massenaussterben im Ordovizium in zwei Phasen verliefen, die ungefähr zehn Millionen Jahre auseinander lagen“, sagt Dr. Tom Gernon von der Universität Southampton, einer der Co-Autoren. Das sei nur schwer mit der Phosphortheorie in Einklang zu bringen, denn dann müsste die Zufuhr von Phosphor in mehreren Schüben verlaufen sein.

Das Team fand jedoch heraus, dass zwei außergewöhnlich heftige Phasen vulkanischer Aktivität ziemlich genau zur gleichen Zeit stattfanden wie die jeweiligen Höhepunkte der Vereisung und des Massenaussterbens. Schauplatz der Vulkanausbrüche waren Gebiete, die heute in Nordamerika, Skandinavien und im Süden Chinas liegen. „Normalerweise setzen heftige Vulkanausbrüche große Mengen Kohlendioxid frei und führen zu einer Erwärmung der Erde“, erläutert Gernon. „Daher muss ein anderer Mechanismus für die Abkühlungen verantwortlich gewesen sein.“

Das Team vermutete, dass ein Folgeprozess – etwa die natürliche Verwitterung des Vulkangesteins – die große Phosphormenge erzeugte, die nötig ist, um die Vereisungen zu erklären. „Wenn Vulkangestein im Meer abgelagert wird, ist es raschen chemischen Veränderungen ausgesetzt, bei denen auch Phosphor freigesetzt wird“, erläutert Prof. Dr. Martin Palmer aus Southampton, ebenfalls Co-Autor. Um die Hypothese zu überprüfen, untersuchte das Team wesentlich jüngere Ascheschichten in Meeressedimenten: Die Forschenden verglichen den Phosphorgehalt von Gestein, bevor und nachdem es durch den Kontakt mit Meerwasser verändert wurde.

Anhand dieser Informationen entwickelte das Team um Longman ein Modell, in dem sie die wichtigsten chemischen, biologischen und geologischen Prozesse simulierten. Anschließend ermittelten die Forschenden, wie die gewaltigen Ascheschichten, die sich am Ende des Ordoviziums auf der Erde ablagerten, die Chemie der Ozeane, das Algenwachstum und die CO2-Aufnahme beeinflussten. Den Ergebnissen zufolge sonderte das abgelagerte Vulkangestein genug Phosphor ab, um eine Kette von Ereignissen auszulösen – angefangen mit der Düngung der Ozeane, dem verstärkten Algenwachstum, einer globalen Abkühlung und anschließenden Vereisung, einem niedrigen Sauerstoffgehalt in weiten Teilen der Ozeane und schließlich dem Massenaussterben.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler folgern, dass große Vulkanausbrüche das Klima durch ihre CO2-Emissionen zwar auf kurzen Zeitskalen erwärmen können, dass sie über längere Zeiträume von mehreren Millionen Jahren aber genauso eine globale Abkühlung auslösen können. Für Longman ist damit klar, dass bestehende Theorien zur Ursache anderer Massenaussterben auf den Prüfstand gehören. „Unsere Studie könnte dazu führen, dass diese Ereignisse neu untersucht werden“, sagt der Forscher. Gewaltige Vulkanausbrüche traten zeitgleich mit drei weiteren der fünf größten Aussterbeereignisse der Erdgeschichte auf, unter anderem am Ende der Kreidezeit, als die Dinosaurier von der Erde verschwanden.

Universität Oldenburg


Originalpublikation:

Jack Longman et al.: „Late Ordovician climate change and extinctions driven by elevated volcanic nutrient supply“, Nature Geoscience, 2. Dezember 2021, DOI: 10.1038/s41561-021-00855-5

doi.org/10.1038/s41561-021-00855-5

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Wissenschaft Niedersachsen
news-20555 Fri, 03 Dec 2021 10:33:32 +0100 Pflanzenschädling entgeht dem Immunsystem seines Wirts durch Angriff auf das Mikrobiom https://www.vbio.de/aktuelles/pflanzenschaedling-entgeht-dem-immunsystem-seines-wirts-durch-angriff-auf-das-mikrobiom Ein Team von Biologen hat gezeigt, dass Verticillium dahliae, ein pathogener Pilz verschiedener Pflanzen, ein Effektormolekül absondert um das Mikrobiom seines Wirts anzugreifen und so den Befall zu begünstigen. Die Arbeit wurde von der Arbeitsgruppe um Alexander von Humboldt-Professor Dr. Bart Thomma an der Universität zu Köln (UzK) im Rahmen des Exzellenzclusters für Pflanzenforschung CEPLAS durchgeführt. Dabei kooperierten die Kölner Forscher mit dem Team um Dr. Michael Seidl von der Theoretical Biology & Bioinformatics group der Universität Utrecht in den Niederlanden. Mittlerweile ist wissenschaftlich erwiesen, dass das Mikrobiom eines Organismus – die Gesamtheit der in und auf ihm lebenden Bakterien und weiteren Mikroben – eine wichtige Komponente seiner Gesundheit ist. Bei Menschen und anderen Tieren haben bestimmte Mikroben, die den Darm und die Haut besiedeln, positive Auswirkungen. Dies gilt in ähnlicher Weise auch für Pflanzen. Weiterhin ist bekannt, dass Pflanzen nützliche Mikroben aus ihrer Umgebung – zum Beispiel aus dem Boden rund um die Wurzeln – „rekrutieren“ können damit sie ihnen helfen, Krankheiten zu widerstehen.

An der UzK stellten Dr. Nick Snelders und Erstautor der Studie Professor Dr. Bart Thomma zunächst eine Hypothese auf: Wenn Pflanzen in der Lage sind, „Helfer“ zu rekrutieren, haben einige Krankheitserreger vielleicht „gelernt“, diesen Hilferuf zu unterbinden und das Mikrobiom der Pflanze anzugreifen, um die Besiedelung zu begünstigen. Neben der direkten Unterdrückung der Immunreaktionen des Pflanzenwirts können diese Krankheitserreger also auch indirekt dessen Abwehrkräfte angreifen, indem sie das gesunde Mikrobiom der Pflanze stören. Der Pilz Verticillium dahliae ist ein bekannter Schädling vieler Pflanzen, darunter Gewächshauskulturen wie Tomaten und Salat, aber auch von Olivenbäumen, Zierbäumen und -blumen, Baumwolle und Kartoffeln. Die aktuelle Studie zeigt, dass der Pilz das antimikrobielle Protein VdAMP3 ausschüttet, das als „Effektor“ das Mikrobiom der Pflanze manipuliert.
Im Allgemeinen richten sich Effektormoleküle gegen Teile des Immunsystems eines Wirts, um sie zu unterdrücken. Die Autoren beobachteten diesen Prozess nun beim Mikrobiom der Modellpflanze: Während der Besiedlung des Wirts durch Verticillium dahliae unterdrückt das VdAMP3-Molekül nützliche Organismen im Mikrobiom der Pflanze, was zu einer Störung des Mikrobioms, oder „Dysbiose“, führt. So kann der Pilz seinen Lebenszyklus vollenden und Nachkommen produzieren, die sich ausbreiten und neue Infektionen auslösen.
„Das abgesonderte Molekül ist evolutionär gesehen sehr alt. Homologe kommen auch in Organismen vor, die nicht pathogen für Pflanzen sind“, sagte Thomma. „Es sieht so aus, als ob Verticillium dahliae das Molekül ‚benutzt‘ hat, um es während des Prozesses der Krankheitsentwicklung auf dem Wirt ‚auszunutzen‘. Interessanterweise wirkt das Molekül aber nicht wie ein Breitband-Antibiotikum, das sich gegen jede Mikrobe richtet, sondern speziell gegen ‚konkurrierende‘ Pilze, die Verticillium dahliae bei der Ausbreitung stören können.

Zunächst wollten die Forscher herausfinden, ob Verticillium dahliae über Effektoren in seinem Arsenal verfügt, die antimikrobielle Wirkung haben. Sie testeten verschiedene Kandidaten im Labor auf ihre Fähigkeit, das Wachstum von ausgewählten Mikroben zu hemmen. VdAMP3 war ein Molekül unter diesen potentiellen Kandidaten. Spätere Experimente zeigten, dass sich ohne den Effektor andere Pilzarten – oder Antagonisten – vermehren konnten und Verticillium daran hinderten, seine Reproduktionsstrukturen auszubilden. VdAMP3 ist hauptsächlich in den späteren Phasen der Krankheit aktiv, wenn Verticillium neue Reproduktionsstrukturen bilden muss, um neue Wirte zu befallen. Doch es ist nicht das erste Molekül dieser Art, das die Wissenschaftler identifiziert haben: Vor einem Jahr entdeckten sie ein Molekül, das nicht wie VdAMP3 konkurrierende Pilze angreift, sondern Bakterien.
Thomma führt aus: „Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse, dass Erreger in verschiedenen Krankheitsstadien unterschiedliche Moleküle nutzen, um das gesunde Mikrobiom eines Wirts zu manipulieren und die Besiedelung zu begünstigen. Daher ist es wichtig, über die ‚binäre Interaktion‘ zwischen Krankheitserreger und Wirt hinauszublicken, wenn wir Krankheiten verstehen wollen. Vielmehr müssen wir das gesamte Mikrobiom des Wirts berücksichtigen und ihn als ‚Holobionten‘ verstehen – als ökologische Einheit aus Wirt und allen in und auf ihm lebenden Organismen.“

Langfristig soll ein besseres Verständnis dieser Mechanismen dazu beitragen, widerstandsfähigere Pflanzen und bessere Strategien für den Pflanzenschutz zu entwickeln. Angesichts einer wachsenden Weltbevölkerung, begrenzter Anbauflächen und der Notwendigkeit, die Umweltbelastung und -verschmutzung zu reduzieren, wollen die Pflanzenwissenschaften langfristig landwirtschaftliche Erträge steigern und gleichzeitig die Umweltbelastung minimieren. „Das Wissen über die Effektormoleküle, mit deren Hilfe pathogene Pilze Nutzpflanzen infizieren, könnte neue Möglichkeiten des Schutzes vor ihnen eröffnen“, sagt Dr. Snelders.
In zukünftigen Studien wollen die Autoren weitere Effektorproteine mit selektiver antimikrobieller Aktivität finden – von Verticillium, aber auch von anderen Krankheitserregern, die andere Infektionsstrategien verfolgen. „Zu entschlüsseln, wie diese Moleküle funktionieren und wie sie die eine Mikrobe hemmen, während sie die andere nicht beeinträchtigen, ist wichtig. Dadurch könnten neue Mechanismen zur gezielten Bekämpfung von Mikroben entdeckt werden, was letztendlich sogar zur Entwicklung neuartiger Antibiotika führen könnte“, schließt Snelders.

Im Exzellenzcluster für Pflanzenforschung CEPLAS forschen Wissenschaftler:innen der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, der Universität zu Köln, des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung Köln und des Forschungszentrums Jülich. CEPLAS-Arbeitsgruppen entwickeln innovative Strategien für eine nachhaltige Pflanzenproduktion. Mit großzügiger Finanzierung durch die Alexander von Humboldt-Stiftung im Rahmen seiner Humboldt-Professur konzentriert sich Bart Thommas Arbeitsgruppe, die kürzlich von der Universität Wageningen in den Niederlanden an die Universität zu Köln gewechselt ist, auf die Identifizierung von Mechanismen, die der Pathogenität von Pilzen auf Pflanzenwirten zugrunde liegen.

Universität Köln


Originalveröffentlichung:

Nick C. Snelders, Gabriella C. Petti, Grardy C. M. van den Berg, Michael F. Seidl, Bart P. H. J. Thomma: An ancient antimicrobial protein co-opted by a fungal plant pathogen for in planta mycobiome manipulation, Proceedings of the National Academy of Sciences Dec 2021, 118 (49) e2110968118; DOI: 10.1073/pnas.2110968118

https://www.pnas.org/content/118/49/e2110968118

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Wissenschaft Nordrhein-Westfalen