mikrobiologie


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Kolonisierung von Kulturpflanzen mit Humanpathogenen – Plantinfect-2

Rasterelektronenmikroskopie von Feldsalat

Abbildung 1: Rasterelektronenmikroskopie von Feldsalat (Valerianella Locusta) und Salmonella enterica (rot markiert) während der Kolonisierung eines Stoma. Aufnahme von Carina Kommnick.

Salmonella enterica (S. enterica) und einige Escherichia coli (E. coli) Stämme sind Lebensmittel-assoziierte pathogene Bakterien, die zu einer Gastroenteritis und Durchfall führen. In einigen Fällen kommt es zu schwereren Krankheitsverläufen, die durch eine systemische Erkrankung gekennzeichnet sind, die sogar zu Todesfällen führen kann. Infektion mit S. enterica und pathogenen E. coli werden zunehmender Zahl mit Ausbrüchen durch kontaminierte frische Produkte nicht-tierischen Ursprungs in Verbindung gebracht, wie z. B. Salate, Gemüse, Obst, Nüsse und Kräuter. Hierbei ist ein entscheidender Punkt der häufige rohe Verzehr der Lebensmittel, der besonders den Konsum jeglicher Salatsorten bestimmt. In diesem Zusammenhang ist die Erforschung von Pflanzen als alternativer Wirt und als weitere mögliche Verbreitungsstrategie von enterischen bakteriellen Pathogenen erforderlich.

Kontaminationswege

Abbildung 2: Kontaminationswege von humanpathogenen Bakterien während des Anbaus von Salat und deren mögliche Folgeereignisse während der Kolonisierung der Salatpflanzen.

Bisherige Untersuchungen im Rahmen der ersten Förderung durch das Bundesministerium für Landwirtschaft und Ernährung (BMEL), Aufnahme von Escherichia coli und Salmonella enterica in Pflanzen – plantinfect (2813HS026-29; 2015-2018), lieferten wichtige Erkenntnisse, die zu einem besseren Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Humanpathogenen Bakterien, Kulturpflanzen und organischen Dünger führten. Die Untersuchungen wurden durchgeführt aus einem Konsortiuum bestehend aus der JLU Giessen, der Universität Hohenheim, dem IGZ Großbeeren und der Universität Osnabrück. Wir an der Universität Osnabrück konnten erste Erkenntnisse bezüglich der Interaktion von S. enterica und der Blattoberfläche von Lactuca sative (Kopfsalat) und Valerianella locusta (Feldsalat) ermitteln. Einzelne Adhäsionsfaktoren, kodiert durch S. enterica, wurden unter experimentell kontrollierten Bedingungen zur Expression gebracht und deren Auswirkung auf die Adhäsion an Blattoberflächen quantifiziert. Dabei konnten Adhäsine identifiziert werden, die zu einer erhöhten Adhärenz an Kopfsalat und Feldsalat führen. Bei diesen Adhäsinen handelte es sich um das Typ I Sekretion System sekretierte Adhäsin BapA, den Autotransporter (Typ V Sekretion System) MisL und einige fimbrielle Adhäsine. Ein weiterer identifizierter Faktor in der Adhäsion war die Flagellen-vermittelte Motilität. Des Weiteren wurde der Einfluss der Umgebungstemperatur auf das Proteom von S. enterica mittels Proteomanalysen (HPLC/MS-MS) untersucht. Diese ergaben, dass Flagellen bei 12 °C in Minimalmedium durch S. enterica gebildet werden. Ein weiterer Aspekt der Untersuchungen stellten adhäsive Strukturen von pathogenen E. colis dar, wie der Ausbruchstamm O157:H7 und C227-11. Hier konnten adhäsive Strukturen visualisiert und hinsichtlich ihrer Involvierung in der Biofilmbildung und Adhäsion an verschiedenen Zellkulturlinien untersucht werden.

Anzucht von Feldsalat

Abbildung 3: A Anzucht von Feldsalat (Valerianella locusta; links) und Kopfsalat (Lactuca sativa; rechts) unter sterilen Bedingungen im Labor. B Transmissionselektronenmikroskopie von Yad Fimrbrien aus E. coli O157:H7 im apathogenen E. coli Stamm ORN172.

Im Rahmen einer zweiten Förderung durch das Bundesministerium für Landwirtschaft und Ernährung (BMEL), Aufnahme von Humanpathogenen in Kulturpflanzen, plantinfect-2 (2819HS002; 2019-2022) des bestehenden Konsortiums, soll der Einfluss der landwirtschaftlichen Anbaupraxis, die Bodeneigenschaften und der physische Status der Kulturpflanze auf die Besiedlung und das Überleben der humanpathogenen Bakterien untersucht werden. Ein weiterer wichtiger zu untersuchender Faktor stellt zudem den Erwerb und die Weitergabe von Antibiotikaresistenzen innerhalb der humanpathogenen Bakterienpopulation dar. Im speziellen wird die Universität Osnabrück den Einfluss der Bewässerung der Kulturpflanzen auf die Besiedlung von Kopfsalat und Feldsalat durch S. enterica untersuchen. Ein besonderes Augenmerk soll dabei auf die Involvierung der Flagellen-vermittelten Motiliät und adhäsiver Strukturen gelegt werden.

verschiedene Arten der Bewässerung von Kulturpflanzen

Abbildung 4: Schematische Darstellung der verschiedenen Arten der Bewässerung von Kulturpflanzen.

Projektbezogene Publikationen

Elpers, L., and Hensel, M. (2020). Factors required for adhesion of Salmonella enterica serovar Typhimurium to lettuce (Lactuca sativa). bioRxiv 2020.04.03.024968; doi: doi.org/10.1101/2020.04.03.024968

Elpers, L., and Hensel, M. (2020). Expression and functional characterization of various chaperon-usher fimbriae, Curli fimbriae, and Type 4 Pili of Enterohemorrhagic Escherichia coli O157:H7 Sakai. Frontiers in Microbiology 11. 10.3389/fmicb.2020.00378

Elpers, L., Kretzschmar, J., Nuccio, S.P., Bäumler, A.J., and Hensel, M. (2020). Factors Required for Adhesion of Salmonella enterica Serovar Typhimurium to Corn Salad (Valerianella locusta). Appl Environ Microbiol 86. 10.1128/AEM.02757-19

Schulte, M., Sterzenbach, T., Miskiewicz, K., Elpers, L., Hensel, M., and Hansmeier, N. (2019). A versatile remote control system for functional expression of bacterial virulence genes based on the tetA promoter. Int J Med Microbiol 309, 54-65. 10.1016/j.ijmm.2018.11.001

Aviv, G., Elpers, L., Mikhlin, S., Cohen, H., Vitman Zilber, S., Grassl, G.A., Rahav, G., Hensel, M., and Gal-Mor, O. (2017). The plasmid-encoded Ipf and Klf fimbriae display different expression and varying roles in the virulence of Salmonella enterica serovar Infantis in mouse vs. avian hosts. PLoS Pathog 13, e1006559.

Hansmeier, N., Miskiewicz, K., Elpers, L., Liss, V., Hensel, M., and Sterzenbach, T. (2017). Functional expression of the entire adhesiome of Salmonella enterica serotype Typhimurium. Sci Rep 7, 10326.