Blog-Archive

Pflanzen und Mikroben: gute oder schlechte Nachbarn?

In meinem Blogbeitrag habe ich schon festgestellt: Mikroben sind einfach überall. Deshalb hat mich der Vortrag „Pflanzen und Mikroben: Freunde oder Feinde?“ aus der öffentlichen Vortragsreihe des CEPLAS (Exzellenzcluster für Pflanzenforschung) besonders interessiert. Für mich war er eine passende Ergänzung.

Startseite_Folie

Vortrag von Prof. Peter Westhoff, Pflanzen und Mikroben – Freunde oder Freunde?

Wann sind Mikroben ein Problem für Pflanzen?

Mikroorganismen – Viren, Bakterien, Pilze – sind vor allem problematisch, wenn viele gleiche Pflanzen in direkter Nachbarschaft wachsen, wie z. B. Getreide oder Kartoffeln auf den Feldern. Die ausgelösten Erkrankungen können sich schnell von einer zur nächsten Pflanze ausbreiten.

Acker

Viele gleiche Pflanzen sind anfällig für Erkrankungen, Foto: Ricarda Schügner

In „freier Wildbahn“ wachsen in der Regel viele unterschiedliche Pflanzen in Nachbarschaft. Da nicht alle Pflanzen anfällig für die gleichen Mikroben sind, können sich die Krankheiten nicht ausbreiten. Im Garten wird versucht dem Nachteil der einheitlichen Bepflanzung durch Mischkulturen entgegenzuwirken. Die benachbarten Pflanzen sollen sich gegenseitig schützen und im Wachstum unterstützen. Es gibt eine Vielzahl an Büchern, die sich mit dem Thema der „guten Nachbarschaft“ im Gemüsegarten befassen.

Bauerngarten

Beispiel für einen Bauerngarten, Foto: Ricarda Schügner

Viren – Bakterien – Pilze

Viren, Bakterien und Pilze unterscheiden sich im Aufbau. Viren weisen den einfachsten Aufbau auf: eine Proteinhülle mit DNA (Desoxyribonukleinsäure) oder RNA (Ribonukleinsäure). Die DNA bzw. RNA liefert die Information zur Synthese von Proteinen (Eiweißen). Viren verfügen nicht über einen eigenen Stoffwechsel. Mit der DNA oder RNA, die Viren in die Wirtszelle bringen, programmieren sie die Zelle um, so dass sie Stoffe zur Vervielfältigung der Viren herstellt. Viren werden wegen des fehlenden Stoffwechsels von den meisten Virologen nicht zu den Lebewesen gezählt. Ein Beispiel für eine virale Erkrankung bei Pflanzen ist das Tabakmosaikvirus. Ich habe bei Youtube ein Video von Plant Pathology gefunden, dass zeigt, wie sich die Pflanze gegen das Virus wehrt. An Stellen an denen das Virus eindringt, sterben die Zellen – auch um die infizierte Zelle herum – ab. So kann das Virus keine gesunden Zellen infizieren.

Den Aufbau von Bakterien habe ich in meinem Blogbeitrag zu Antibiotika ausführlich beschrieben. Es handelt sich um Zellen mit einem eigenen Stoffwechsel und einer ringförmigen DNA, aber ohne Zellkern. Zur Fortbewegung nutzen Bakterien häufig Geißeln.

Pilze sind komplizierter aufgebaut. Ihre Zellen besitzen einen eigenen Zellkern. Es gibt einzellige Pilze, z. B. Hefen, und mehrzellige Pilze. Pilze bilden neben dem Pflanzen- und dem Tierreich ein eigenes Reich. Beispiele für eine Pilzinfektion bei Pflanzen ist die Krautfäule bei Kartoffeln oder Tomaten oder Mutterkorn bei Getreide. Gerade bei der aktuellen feucht-warmen Wetterlage kommen häufiger Pilzinfektionen bei Nutzpflanzen vor.

Mutterkorn_1

Roggen mit Mutterkorn, Foto: Ricarda Schügner

Alle Mikroben können Krankheits- bzw. Schadbilder an Pflanzen verursachen. Die Mikroorganismen gelangen über Verletzungen oder durch die Spaltöffnungen der Blätter in die Pflanzen.

Können Pflanzen die eindringenden Mikroben erkennen?

Pflanzen sind tatsächlich in der Lage ihre „Feinde“ zu erkennen – und sich zu wehren. Neben den vorgestellten Mikroorganismen trifft das Erkennen und die Verteidigung auch „größere Pflanzenfresser“ (Herbivoren).

Wie werden Bakterien erkannt?

Die meisten Bakterien nutzen zur Fortbewegung Geißeln (Flagellen). Hauptbestandteil dieser Geißeln ist das Protein Flagellin. Pflanzliche Zellen können das Flagellin erkennen und dann wird – vergleichbar wie bei Tieren und Menschen – eine Immunreaktion ausgelöst.

Über welche Abwehrmechanismen verfügen Pflanzen?

Die erste Möglichkeit sich gegen Mikroben zu schützen ist die mechanische Abwehr. Es werden „Mauern aufgebaut“. Bezogen auf Pflanzenzellen bedeutet dies, dass die Zellwand der Zelle komplett oder teilweise verstärkt wird. Eindringlinge haben es dann schwerer in die Zelle zu gelangen.

Nummer zwei ist die „chemische Keule“. Pflanzen stellen Substanzen her, die den Angreifern schaden. Es gibt drei Gruppen von Verbindungen.

 

  • Reaktive Sauerstoffspezies
    Eine Beispielsubstanz ist Wasserstoffperoxid, dass z. B. zum Bleichen von Haaren (blondieren) oder zur Desinfektion verwendet wird. Wasserstoffperoxid ist ein starkes Oxidationsmittel.
  • Phytoalexine
    Phytoalexine sind kleine Moleküle, die zu den sekundären Pflanzeninhaltsstoffen gehören. Sie werden von der Pflanze gebildet, wenn ein Eindringling erkannt wird und sind in der gesunden Pflanze nicht nachweisbar. Ein Teil der Pflanzen verfügt zusätzlich über dauerhaft vorhandene Abwehrstoffe, wie z. B. die Senfölglykoside, die in Rettich oder Kresse vorkommen.
  • Abwehrproteine
    Pflanzen sind in der Lage Proteine (Eiweiße) herzustellen, die die Zellwand von Pilzen und Bakterien angreifen und zerstören können. Proteaseinhibitoren (Proteasehemmer) verhindern den Abbau von Enzymen bei Pilzen und Insekten. Ribonukleasen spalten Ribonukleinsäureketten (RNA) der Viren und Pilze.

 

Der dritte Abwehrmechanismus ist die hypersensitive Antwort. Wie oben an dem Beispiel mit dem Tabakmosaikvirus zu sehen ist, sterben Stellen an denen das Virus eindringt sowie gesunde Zellen der Umgebung großflächig ab. Auf diese Weise wird der Eindringling bzw. das Virus isoliert.

Wie ihr in meinem Blogbeitrag zu den Antibiotika zu sehen ist, vermehren sich Bakterien sehr schnell und in großer Zahl. Auf diese Art kommen immer wieder Mutationen vor. Ähnlich wie bei den Antibiotikaresistenzen ist es so möglich, dass die Abwehrmechanismen der Pflanzen umgangen werden. Auch bei Pflanzen gibt es Mutationen und die können die Abwehr gegen Mikroben verbessern… Es bleibt also spannend im „Rüstungswettlauf“ Pflanze gegen Mikroorganismus.

Gibt es auch nützliche Mikroben?

Ich habe hier im Blog schon festgestellt, dass Mikroben überall sind – und wir nicht ohne sie überleben können. Es gibt auch Pflanzen, die mit nützlichen Pilzen und Bakterien zusammenleben. Beispiele sind die Leguminosen (Schmetterlingsblütler), die mit Stickstoff-liefernden Bakterien zusammenleben und Mycorrhiza-Pilze, die die Nahrungsaufnahme der Pflanzen verbessern.

Leguminosen (Schmetterlingsblütler)

Die Leguminosen, wie z. B. Bohnen oder Erbsen, leben in Symbiose (was bedeutet, dass das Zusammenleben für beide Arten vorteilhaft ist) mit Bakterien, die den Stickstoff aus der Luft in für die Pflanzen nützlichen Dünger umwandeln können. Die Bakterien erhalten dafür von den Pflanzen produzierte Nahrung. Da die Stickstoffverbindungen ein wertvoller Dünger für die Felder sind, werden Lupinen (auch Leguminosen) als Gründünger eingesetzt.

Feuerbohnen

Feuerbohnen, Foto: Ricarda Schügner

Mycorrhiza

Die Mycorrhiza-Pilze leben ebenfalls in Symbiose mit Pflanzen. Sie befinden sich in den Wurzeln der Pflanzen. Dort helfen sie der Pflanze bei der Wasser- und Nährstoffaufnahme. Im Gegenzug bekommen sie Nahrung geliefert.
Zum Abschluss habe ich ein Youtube-Video des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ.de), dass das Zusammenleben von Pflanzen und Pilzen zeigt.

Antibiotika – Bakterien – Resistenz


Antibiotika“ finden sich regelmäßig zu unterschiedlichen Themen in den Medien wieder. Scheint fast so als hätten sie „Starpotential“. 😉 So ganz falsch ist das nicht, da es sich bei den Antibiotika um wichtige Medikamente gegen bakterielle Infektionen handelt. In diesem Blogbeitrag zu Mikroben habe ich festgestellt: Sie sind überall, die Mikroorganismen – von nützlich bis tödlich. Wobei wir natürlich die nützlichen, z.B. Darmbakterien, behalten wollen und nur Medikamente bei den gefährlichen Keimen brauchen.

Wortwolke

Ein paar Begriffe rund um Antibiotika; erstellt mit wortwolke.com

Allerdings werden Antibiotika mittlerweile so weit verbreitet eingesetzt, dass NDR Extra3 die Lage in einem Beitrag satirisch aufbereitet hat, denn SO sollte es natürlich nicht laufen.

Aber wie sollten Antibiotika dann eingesetzt werden?

Antibiotika sind Medikamente, die gegen Bakterien wirken. Folglich sollten sie nur bei bakteriellen Infektionen eingesetzt werden. Bei Virus-Erkrankungen, wie z.B. Erkältungen, wirken Antibiotika nicht. Sie sollten dort erst eingesetzt werden, wenn der Verdacht besteht, dass sich – aufgrund des geschwächten Immunsystems – zusätzlich bakterielle Infektionen ausbreiten. Aber wenn ihr richtig krank seid, geht ihr ohnehin zum Arzt, oder?

Um eine für Menschen und Tiere nicht lebensgefährliche Wirkung zu erzielen, nutzt man die Unterschiede zwischen eukaryotischen Zellen (bei Menschen und Tieren) und (prokaryotischen) Bakterienzellen. Unterschiede zwischen eukaryotischen und prokaryotischen Zellen findet man sowohl im Zellaufbau wie auch in der molekularen Struktur. (siehe Abbildung, vereinfachte Darstellung)

Zellen_1

Vereinfachte Darstellung: Tier- und Bakterienzelle

Hier habe ich eine Auswahl von Antibiotika-Klassen (also mit unterschiedlicher chemischer Struktur) und deren Angriffspunkte:

  • Zellwandsynthese: Penicilline, Cephalosporine, Vancomycin
  • Proteinsynthese (anderer Aufbau der Ribosomen): Tetracycline, Streptomycin
  • Folsäurestoffwechsel: Sulfonamide

Das ein oder andere Antibiotikum (bzw. der Name) kommt euch bestimmt bekannt vor.
Tipp: Auf jeden Fall mit dem Arzt oder Apotheker 😉 sprechen, ob man in die Sonne darf, die Pillen mit Milchprodukten einnehmen kann, welche Nebenwirkungen auftreten können oder was sonst so zu beachten ist.

Doch wo ist jetzt das Problem?

Zum einen wirken ohnehin nicht alle Antibiotika gegen alle Bakterien. Zum anderen können Bakterien, die eigentlich auf ein bestimmtes Antibiotikum ansprechen, eine Resistenz entwickeln, so dass dieses nicht mehr wirkt.

Bakterien vermehren sich durch Zellteilung, was zur Folge hat, dass schnell viele neue Zellen entstehen. Damit steigt auch die Möglichkeit für Veränderungen im Erbgut (DNA-Mutationen), die sich auf die Wirksamkeit der Antibiotika auswirken können.

Eine weitere Möglichkeit, wie Bakterien Informationen weitergeben können, sind Plasmide. Plasmide sind kleine ringförmige DNA-Stücke außerhalb des Bakterienchromosoms (der Haupt-Erbsubstanz). Plasmide können zusätzliche Gene, z.B. zu Antibiotika-Resistenzen und der Möglichkeit eines Plamidaustauschs mit anderen Bakterien, enthalten. Wenn die Austauschmöglichkeit besteht, werden Informationen von Bakterium zu Bakterium weitergegeben.

Und das Problem?

Eigentlich sind es mehrere Probleme:

  • Bakterien sind überall:
    Auch ein gesunder Mensch beherbergt eine Vielzahl von, teilweise nützlichen, Bakterien, die ihm – solange er gesund ist und das Immunsystem einwandfrei funktioniert – nicht gefährlich werden. Bei einer Erkrankung oder einem geschwächten Immunsystem (OP, Krebserkrankung etc.) kann dies schon anders aussehen und zu zusätzlichen lebensgefährlichen Komplikationen führen.
    Außerdem werden durch die Einnahme der Antibiotika nicht nur die gewünschten, krankmachenden Bakterien abgetötet, sondern auch nützliche Bakterien z.B. Darmbakterien, die dort wichtige Aufgaben übernehmen. Schon mal bei Antibiotika-Einnahme heftigen Durchfall gehabt?
  • Jeder Antibiotika-Einsatz kann zu Resistenzen führen:
    Wie oben beschrieben, können durch Mutationen oder Plasmidaustausch resistente Bakterien entstehen, die sich fleißig weitervermehren.
  • Antibiotika wirken nicht gegen Virus-Infektionen:
    Erkältungen oder die „echte Grippe“ (Influenza) werden in der Regel von Viren ausgelöst. Viren können nicht mit Antibiotika bekämpft werden. Folglich sollte nicht automatisch bei einer Erkältung ein Antibiotikum verschrieben werden.
  • Ich habe keine Symptome mehr – und nehme meine Medikamente nicht mehr:
    Da Bakterien unterschiedlich gut auf das Antibiotikum ansprechen, gibt es einige, die länger durchhalten – und sich nach Absetzen wieder mit dem „Durchhaltegen“ oder schlimmer „Resistenzgen“ vermehren können. Deshalb möglichst immer bis zum Schluss nehmen und bei Nebenwirkungen – vor dem Absetzen – auf jeden Fall mit dem Arzt sprechen.
  • Der Tipp des Tages gegen jede Infektion: Hände waschen
    Wer die Hände mit ausreichend Seife wäscht, schützt seine Gesundheit und die anderer. Ihr kennt das: nach der Toilette, vor dem Kochen und dem Essen, vor dem Krankenbesuch und danach…
    Hier das Video zum Händewaschen 😉

Antibiotika wirken nicht bei jeder Krankheit und sollten deshalb ausschließlich bei bakteriellen Infektionen eingesetzt werden. Wer einmal mit der Einnahme angefangen hat, sollte sie so lange nehmen, wie der Arzt sie verschrieben hat bzw. bei Nebenwirkungen auf jeden Fall mit dem Arzt sprechen und nicht einfach mit der Einnahme aufhören.

Der Do-it-yourself-Tipp für die Gesundheit lautet: regelmäßig Händewaschen. 😉

Da ich bekennender Science Slam-Fan bin, habe ich euch passend zum Thema einen Vortrag von Ronald Jäpel herausgesucht. Viel Spaß 😀

Meine Lesetipps zum Thema:

Mikroben: Bakterien und Pilze sind ÜBERALL

Ich hatte wohl dank des Buches von Bernhard Dixon, dass ich hier im Blog vorgestellt habe, eine Überdosis an Mikroorganismen. 😉 Aber keine Sorge, ich fange ganz harmlos an. Ich habe euch unten im Bild eine kleine „Brotzeit“ zusammengestellt. Sieht doch ganz appetitlich aus – oder?

Brotzeit

Hefen und Milchsäurebakterien unterstützen eine leckere Mahlzeit 🙂 Foto: Ricarda Schügner

Um Bier zu brauen, Brot zu backen benötigt man Hefe(pilze), die es auch für eigene Backaktivitäten zu kaufen gibt. Milchsäurebakterien benötigt man bei der Joghurtherstellung und auch zum Brot backen, sofern es sich um Roggenmehl handelt. Und dann gibt es da noch den leckeren Käse mit Edelschimmel für den guten Geschmack. 😀

Aber auch wir Menschen sind ein Biotop für Mikroorganismen. Es handelt sich um unser Mikrobiom. Diese Besiedelung mit Bakterien, Pilzen und Einzellern ist für uns nützlich, wobei der Übergang in manchen Fällen fließend ist.

In der 1. Abendvorlesung des Freiburger Uniklinikums (siehe unten) geht es um Darmflora und Mikrobiom: Warum wir ohne Keime nicht leben können. Dort wird von ca. 1.000 Arten gesprochen, die insgesamt so ca. 2kg auf die Waage bringen. Mit der Geburt erfolgt eine Besiedlung des Säuglings, sofern es sich nicht um einen sterilen Kaiserschnitt handelt. Einen Einfluss auf die Bildung/Komplexität des Mikrobioms haben auch Hygiene, Nahrung, Stress sowie Medikamente. Unsere „Mitbewohner“ schützen uns vor Infektionen, sind Quelle für Nährstoffe und stimulieren unser Immunsystem.

An einem Beispiel wird gezeigt, dass natürlich bei der Mutter vorkommende Streptokokken, die bei ihr keine Probleme verursachen, bei ihren Kindern Krankheitssymptome auslösen.

Besonders interessant sind Ergebnisse, die zeigen, dass eine unterschiedliche Zusammensetzung der Darmflora zu unterschiedlichen Symptomen/Krankheiten führen kann. Weiterhin wird gezeigt, dass eine Antibiotikagabe das Mikrobiom deutlich verändert. Veränderungen erfolgen auch durch Infektionen, Entzündungen, Operationen… Die Forschung ist jedoch noch nicht so weit um zu sagen, wie sich solche Störungen genau auswirken.

Schauen wir uns unsere „Mitbewohner“ jetzt etwas genauer an. Bakterienzellen unterscheiden sich im Aufbau deutlich von pflanzlichen oder tierischen Zellen. Sie sind einfacher aufgebaut und besitzen keinen Zellkern, sondern eine ringförmige DNA (Desoxyribonukleinsäure, Erbsubstanz). Weiterhin gibt es kleine „DNA-Ringe“ sogenannte Plasmide, die weitere Erbinformationen, z. B. auch Antibiotikaresistenzen, beinhalten. Durch die schnelle Teilung (ca. alle 20 Minuten) im Vergleich zu anderen Zellen (ca. alle 20 Stunden) bilden sich schnell viele neue Bakterien, was zum Auftreten verschiedenster Mutationen führen kann. Hier habe ich eine kleine Zusammenfassung des FWU (Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht, Medieninstitut der Länder) auf Youtube.

Wie schnell sich bei Verdoppelung die Menge an – Beispielsüßkram 🙂 – erhöht, zeige ich euch hier:

Allerdings sind Bakterien nicht nur für den Menschen nützliche Mitbewohner, sondern auch Pflanzen sind auf sie angewiesen. Bekannt ist, dass Leguminosen (Hülsenfrüchtler, z.B. Erbsen, Bohnen, Lupinen) auf stickstoffarmen Böden gut wachsen, da sie im Wurzelbereich in Symbiose mit stickstoffbildenden Bakterien leben, die den Dünger direkt dort produzieren, wo er gebraucht wird.

Zum Abschluss seht ihr hier den Science Slam Beitrag von Alexandre Jousset, der zeigt, dass sich unterschiedliche Bakterienarten in den Pflanzenwurzeln bekämpfen. Was zur Folge hat, dass die Pflanzen schlechter wachsen. Viel Spaß 🙂