Germany
February 19, 2025
A study led by scientists from the Max Planck Institute for Plant Breeding Research in Cologne has shown that the ability to suppress plant immune responses is shared among many of the bacteria that live on healthy plant roots. This trait stabilizes bacterial communities, known as the root microbiota, against perturbations through the plant immune system
Thale cress (Arabidopsis thaliana) growing on a culture medium. Flagellin triggers immune reactions that shift resources to defence, resulting in reduced plant growth. Colonization with a commensal Rhodanobacter compensates for this imbalance between growth and defence through a transporter system and breakdown of flagellin. - © J. Ordon
The plant immune system is a highly specialized and sensitive network of defences that serves to repel pathogenic microbes that would seek to exploit plant resources. Therefore, plants constantly survey their surroundings for bacterial features that function as alarm signals for the presence of potential invaders. One of the most common features is a short pattern in bacterial flagellin, the protein that makes up the hair-like appendage that allows bacteria to move. Plant immune responses, which involve a reallocation of resources from growth to defence, are activated upon recognition of flagellin by a plant receptor called FLS2. However, flagellin is possessed not only by pathogenic bacteria but also by those who are in commensal relationships with their plant hosts, who accommodate a diverse collection of microbes known as the microbiota. How then do commensal bacteria, which are ubiquitous on all plants and far outnumber pathogenic bacteria on healthy plants, colonize and persist on their hosts? Scientists now have a better understanding of this seeming contradiction.
The researchers, led by co-corresponding authors Ka-Wai Ma and Paul Schulze-Lefert, knew from previous work that 40% of all bacteria found on healthy roots, including bacteria from the order Xanthomonodales – a core order of the plant microbiota – possess the ability to suppress plant immune responses, as determined by their ability to alleviate the root growth inhibition associated with flagellin recognition. In more focused analysis, first author Jana Ordon and colleagues found that immunosuppression is in fact widely conserved across the Xanthomonadales. Homing in on one of these suppressive Xanthomonodales strains, R179, they could determine that R179 uses a combination of different mechanisms to achieve this alleviation. In one, R179 eliminates flagellin and other danger molecules that would activate the plant immune response. The scientists also identified two R179 transporter components that may function to shuttle immunosuppressive molecules into the space between the bacterium and the plant host. Thus, commensal bacteria unexpectedly possess, like pathogens, a repertoire of mechanisms to bypass plant immune responses. By analysing plant responses in detail, the group of researchers could establish the significance of this immunosuppression for root-associated bacterial communities. They determined that R179, which itself contains immunogenic molecules, can not only block its own recognition by the plant, but can also include other members of the microbial communities in its camouflage. Thus, while R179 itself does not harbour the flagellin protein, its ability to suppress immune responses activated by flagellin provides it with a competitive advantage in a community, i.e., allowing it to outgrow non-immunosuppresive bacteria.
The Xanthomonadales are a core order of the plant microbiota and seem to be specialized for surviving and thriving in soil and plant root habitats. The authors’ findings show that the widespread ability to modulate plant immune responses probably contributed to this specialization and their core membership in the microbiota.
Unterdrückung des pflanzlichen Immunsystems verschafft Bakterien einen Wettbewerbsvorteil
Forschende des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln konnten zeigen, dass viele Bakterien, die auf gesunden Pflanzenwurzeln leben, Immunreaktionen der Pflanzen unterdrücken können. Durch die Immunsuppression werden Bakteriengemeinschaften an Wurzeln, die sogenannte Wurzelmikrobiota, gegen den Einfluss durch das pflanzliche Immunsystem geschützt.
Das Immunsystem von Pflanzen ist ein hochspezialisiertes und sensibles Abwehrsystem, das darauf ausgelegt ist, krankheitserregende Mikroben abzuwehren. Daher überprüfen Pflanzen ständig ihre Umgebung auf bakterielle Merkmale, die als Alarmsignale für die Anwesenheit potenzieller Eindringlinge dienen. Eines der am besten untersuchten Erkennungsmerkmale von Bakterien ist ein Teil von Flagellin, das Bakterien zur Fortbewegung dient. Sobald Flagellin von einem Pflanzenrezeptor namens FLS2 erkannt wird, werden Immunreaktionen aktiviert, und weniger Energie für pflanzliches Wachstum zur Verfügung gestellt. Flagellin kommt jedoch nicht nur bei gefährlichen Bakterien vor, sondern auch bei sogenannten kommensalen Bakterien, die kaum, oder positive Effekte auf die Pflanze haben. Wie also können kommensale Bakterien, die auf allen Pflanzen allgegenwärtig sind und auf gesunden Pflanzen pathogene Bakterien bei weitem übertreffen, die Pflanze besiedeln? Wissenschaftler:innen haben nun ein besseres Verständnis für diesen scheinbaren Widerspruch.
Die Forschenden unter der Leitung von Ka-Wai Ma und Paul Schulze-Lefert wussten aus früheren Arbeiten, dass 40 % aller Bakterien, die auf gesunden Wurzeln zu finden sind, Immunreaktionen der Pflanze unterdrücken können. Zu diesen 40 % gehören auch Bakterien der Ordnung Xanthomonodales – die eine Kerngruppe der Pflanzenmikrobiota darstellen. Unterdrückung des pflanzlichen Immunsystems wurde dabei anhand der Wurzellänge bestimmt, sprich die Aufhebung von Flagellin-induzierter Hemmung des Wurzelwachstums.
In einer gezielteren Analyse stellten die Erstautorin Jana Ordon und ihre Kolleg:innen fest, dass die Immunsuppression in der Tat in der Gruppe der Xanthomonadales weit verbreitet ist. Bei der Untersuchung eines dieser Xanthomonodales-Stämme, R179, konnten sie feststellen, dass R179 eine Kombination verschiedener Mechanismen zur Immunosuppression nutzt. Zum einen eliminiert R179 Flagellin und andere Moleküle, die die Immunantwort der Pflanze aktivieren. Die Wissenschaftler:innen identifizierten außerdem zwei R179-Transporterkomponenten, die möglicherweise immunsuppressive Moleküle in den Bereich zwischen dem Bakterium und der Pflanze transportieren. Kommensale Bakterien verfügen somit überraschenderweise, ähnlich wie auch krankheitserregende Bakterien, über ein Repertoire an Mechanismen, um die Immunantwort der Pflanze zu umgehen. Durch die detaillierte Analyse der Pflanzen-Reaktionen konnten die Forschenden den Einfluss der Immunsuppression für wurzelassoziierte Bakteriengemeinschaften untersuchen. R179, das selbst immunogene Moleküle enthält, blockiert nicht nur seine eigene Erkennung durch die Pflanze, sondern schließt andere Mitglieder der mikrobiellen Gemeinschaften in seine Tarnung mit ein. Obwohl R179 selbst kein Flagellin besitzt, verschafft ihm seine Fähigkeit, Flagellin-induzierte Immunantworten zu unterdrücken, einen Wettbewerbsvorteil in einer bakteriellen Gemeinschaft, der es ihm ermöglicht, sich besser als andere zu vermehren. Die Xanthomonadales sind Kernbestandteile der pflanzlichen Mikrobiota und scheinen darauf spezialisiert zu sein, Böden und Pflanzen zu besiedeln.
Die Ergebnisse der Autoren zeigen, dass die weit verbreitete Fähigkeit, die Immunreaktionen von Pflanzen zu verändern, wahrscheinlich zu dieser Spezialisierung und ihrer zentralen Rolle in der Pflanzenmikrobiota beigetragen hat.
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