2.2 Menschliche Krankheitserreger, die Pflanzen infizieren können

Unsere menschlich zentrierte Sicht von Krankheit führt oft zu der gängigen Annahme, dass humanpathogenen Bakterien auf menschliche Wirte beschränkt sind. Arten von Salmonellen, Serratia, Enterobacter und Enterococcus werden häufig als problematische menschliche Krankheitserreger in Betracht gezogen, die oft in der nosokomialen Umgebung von Kliniken auftreten und die zu Lebensmittelvergiftungen, allgemeinen Infektionen und Sepsis führen können. Aber auch andere Bakterienarten, die Haut-, Wund- und Harnwegsinfektionen auslösen (zum Beispiel Bacillus cereus und Proteus vulgaris), lassen sich in der Rhizosphäre finden.

Relativ neuer Studien belegen jedoch, dass diese humanpathogenen Bakterienarten auch an der Kolonisierung und an Krankheiten in einer Vielzahl von Wirtspflanzen beteiligt sind. Verschiedene Studien haben gezeigt, dass humanpathogenen Bakterien im Wurzelgewebe an der Seitenwurzel entstehen können. Bemerkenswerterweise wurden viele Untersuchungen wurden unter Laborbedingungen nachgewiesen, dass diese bakteriellen Spezies auch für phytopathogene Ereignisse ein Potential bereitstellen. Pflanzenkrankheiten, die durch viele dieser menschlichen Krankheitserreger in der Umwelt verursacht werden, sind freilich noch unbekannt.

Das Auftreten von humanen krankheitserregenden Bakterien in der Rhizosphäre wird mehreren Faktoren zugeschrieben, einschließlich einem hohen Nährstoffgehalt, dem Schutz vor UV-Strahlung (UV) und der Verfügbarkeit von Wasserfilmen zur Dispersion und zur Verhinderung von Austrocknung. Andere Forscher haben argumentiert, dass die reichlich vorhandenen und sehr vielfältigen indigenen mikrobiellen Gemeinschaften eine starke Barriere gegen die Invasion von menschlichen Krankheitserregern bilden. Beispielsweise wird das Wachstum von S. enterica und E. coli O157: H7 auf den Wurzeln von Arabidopsis thaliana stark durch einen mit der Pflanze assoziierten Stamm von Enterobacter asburiae gehemmt. Dennoch können viele humanpathogene Bakterien, die Nährstoffe produzieren, sich für verschiedene antimikrobielle Metaboliten als sehr wettbewerbsfähig zeirgen, so dass sie in der Gegenwart der indigenen mikrobiellen Gemeinschaften Pflanzenoberflächen zu besiedeln und sich dort zu vermehren vermögen. Interessanterweise zeigen die daran beteiligten Mechanismen innerhalb der Rhizosphäre eine antimikrobielle Aktivität gegenüber menschlichen pathogenen Bakterien und scheinen diesen an Virulenz in menschlichen Geweben ähnlich zu sein.

Als nächstes werden wir die Biologie und Pathogenese von einigen der häufigsten Erreger von Infektionen, die mit dem Verzehr von pflanzlichen Lebensmitteln assoziiert werden, diskutieren.

2.2.1 Salmonellen

Diese Gattung umfasst zwei Arten: Salmonella enterica und Salmonella bongori. S. enterica, in Hunderte von Serovare unterteilt, ist der Erreger vieler Human-, Tier- und Vogelkrankheiten weltweit, einschließlich Gastroenteritis und Typhus. Als Erreger ist sie am häufigsten mit dem Verzehr von Obst und Gemüse verbunden. Trotz ihrer klaren Anpassung zwecks Überleben in menschlichen Wirten sind Salmonellen auch in der Rhizosphäre von mehreren Kulturpflanzen nachgewiesen worden. Lange Zeit wurde angenommen, dass Salmonella auf Pflanzen nach einer mehr oder weniger zufälligen Infektion zu überleben vermag. Allerdings ist diese Vorstellung in letzter Zeit in Frage gestellt worden. Salmonella-Bakterien sind in der Lage, auch im Boden zu überleben. Untersuchungen an der nativen Conzattia multiflora, einer Hülsenfrucht, die in Mexiko heimisch ist, zeigten die Existenz von Salmonellen in knötchenartigen Strukturen dieser Pflanze. S. enterica ssp. Wurde nachgewisen in Weizen (Triticum sativum), Raps (Brassica napus) und Erdbeeren (Fragaria ananassa): und enterica Serovar Typhimurium (S. typhimurium) wurde in der Rhizosphäre von mehreren Kulturpflanzen gefunden. S. enterica fand sich auch auf wilden Tomaten (Solanum pimpinellifolium), allerdings weinger als bei domestizierten Tomatensorten (Solanum lycopersicum). Ein zusätzlicher Infektionsweg könnte Wasser sein, das in Kontakt mit menschlichen oder tierischen Abfällen gekommen ist.

Verschmutztes Wasser ist ein gut bekannt für die Verbreitung zahlreicher Krankheitserreger, einschließlich Salmonellen. Auf diese Weise können sich Bakterien durch das Wasserversorgungssystem bewegen und anschließend Getreidefelder erreichen, wo das kontaminierte Wasser zur Bewässerung verwendet wird. S. enterica-Populationen waren größer in der Phyllosphäre von Tomatenpflanzen, die mit kontaminiertem Wasser bewässert wurden, als in Pflanzen, die aus Samen in vorverseuchtem Boden gewachsen sind. Eine Infektion von Pflanzen mit Salmonella kann auch mit Hilfe von anderen Organismen bewirkt werden. Eine Co-Impfung von Kopfsalat oder Erdbeeren oder Möhren mit dem Nematoden Caenorhabditis elegans und Salmonella führte zu einer Infektion mit diesen Bakterien. Umgekehrt wurde bei einer Abwesenheit des Nematoden das Pflanzengewebe nicht mit dem Krankheitserreger infiziert. Salmonellen können auch über Insekten transportiert werden, z. B. durch die Pharaoameise (Monomorium pharaonis). Die Wechselwirkung zwischen Salmonella und den arbuskulär mycorrhizalen Pilzen (AMF) führt zu einer höheren Persistenz von Salmonella in den Pflanzen, was eine weitere Schicht von Interaktionen in der Rhizosphäre belegt.

Die Anfälligkeit gegenüber Verunreinigungen durch S. enterica über den Boden unterscheidet verschiedene landwirtschaftliche Kulturen. Die Mitglieder der Familie Brassicaceae präsentieren höhere Bakterienpopulationen als Tomaten und Salat. Jedoch wurde gezeigt, dass bei Salat, der eine stark verunreinigte Phyllosphäre aufweist, noch andere Kontaminationswege, wie beispielsweise Wasser zur Bewässerung, ebenfalls wirksam sein können. Eine weitere bemerkenswerte Möglichkeit ist, dass die Pflanze selbst zu einer Infektion beitragen kann. Eine Studie über Alfalfa-Sprossen hat gezeigt, dass während der Auskeimung der Samen der Abbau des Endosperms die Freisetzung von Zucker verursacht und andere organische Moleküle reduziert, die im Wasser zur Bewässerung gefunden werden können; diese verschaffen S. enterica ein Wachstumsmedium. Da Bakterien diese Moleküle als Nährstoffquelle metabolisieren, scheinen Pflanzenexsudaten eine geeignete Nährstoffquelle abzugeben. Darüber hinaus können andere pflanzenpathogene Bakterien zur Infektion mit Salmonella beitragen. Pektinolytische bakterielle Erreger, die Fäulnis von mobilisierten Nährstoffen verursachen, stehen häufig mit Infektionen von Obst und Gemüse durch S. enterica im Zusammenhang. Salmonellen sind nicht nur in der Lage, die Phyllosphäre zu besiedeln; es wurde auch die Tödlichkeit für infizierte Pflanzenorgane nachgewiesen. Die Inokulation von Salmonellen in Arabidopsis führte zu Chlorose und Welkung und schließlich zum Tode des infizierten Gewebes innerhalb von sieben Tagen.

 2.2.2. Escherichia coli

Escherichia coli ist ein Bakterium, das im Gastrointestinaltrakt von Menschen und warmblütigen Tieren häufig vorkommt. Aufgrund seiner hohen Prävalenz im Darm wird E. coli als bevorzugter Indikator verwendet, um fäkale Kontaminationen bei der Beurteilung von Lebensmitteln und der Wassersicherheit nachzuweisen und zu messen. Betrachtet als harmlose Kommensalen bilden E. coli-Stämme etwa 1 Prozent der normalen mikrobiellen Darmpopulation. Während die meisten der Stämme im Darm für die menschliche Magen-Darm-Funktion von Vorteil sind, sind andere eher schädlich. Pathogene E. coli-Stämme unterscheiden sich von den anderen durch ihre Fähigkeit, schwere Krankheiten als Folge ihrer genetischen Elemente zur Erzeugung von Toxinen, die durch Haftung an und die Invasion von Wirtszellen eine Beeinträchtigung des Zellstoffwechsels und eine Gewebezerstörung veranlassen können. Um von einem Wirt zu einem anderen übertragen werden zu können, müssen diese Bakterien ihren Wirt verlassen und in dessen Umgebung gelangen. Es gibt Hinweise darauf, dass einige E. coli für mehrere Wochen außerhalb des Wirtes überleben können und auch im Wasser oder Boden gedeihen können. Aber es ist vor allem das Pflanzenmaterial, wodurch E. coli-Besiedelungen zu einem Problem geworden sind, denn obwohl die meisten Arten von E. coli harmlos sind, stellt die Anwesenheit von pathogenen Stämmen auf Obst und Gemüse ein Risiko für die Lebensmittelsicherheit dar. Infektionen von E. coli O157 durch den Verbrauch von grünem Blattgemüse wurden vielfach erkannt. Allerdings haben einige E. coli-Klone Pathogenitätsinseln über einen horizontalen Gentransfer erworben, der es ihnen ermöglicht, Infektionen der Harnwege und Durchfallerkrankungen auszulösen. Diarrheal E. coli werden in sechs Kategorien eingeteilt, die Krankheiten von einem moderaten Durchfall bis hin zu schweren systemischen Erkrankungen (zum Beispiel einem hämolytisch-urämischen Syndrom) herbeiführen können (Palermo et al., 2009).

Shiga-Toxin produzierende E. coli

Shiga-Toxin produzierende E. coli (STEC) sind Zoonose-Erreger, die vor allem Rinder und kleine Wiederkäuer besiedeln. Obwohl Produkte vom Rind, vor allem Rindfleisch, die am häufigsten anerkannten Quellen von E. coli O157-Infektionen sind, können auch Obst und Gemüse, roh verzehrt, zu einer wichtigen Quelle von Infektionen werden. Drei Blattbefestigungsmechanismen wurden für E. coli O157 beschrieben. Erstens haftet, im Gegensatz zu nicht-pathogenen E. coli, der pathogene Stamm STEC O157: H7 stark an Tomatenhaut, Spinatblättern und den Wurzeln von Luzerne-Sprossen. Die Haftung auf diesen Flächen wird durch curli vermittelt. Die Adhäsion von E. coli O157, sowie der damit verbundenen enteropathogenen E. coli (EPEC), an einer Vielzahl von Salatblättern wird durch den filamentösen Typ des Sekretionssystems (T3SS) vermittelt. Das E. coli O157-Sekretionssystem überträgt Effektor-Proteine in Säugerzellen; Protein-Translokationen, die durch eine ATPase vermittelt werden, sind abhängig von einer Translokationspore, die in die Plasmamembran eingelassen ist. Die Geißeln von E. coli O157 scheinen hier ebenfalls eine Rolle zu spielen. Insgesamt legen diese Daten nahe, dass E. coli O157 mehrere Mechanismen verwenden, um Pflanzen zu kolonisieren, und dass sie gut an diese Biosphäre angepasst sind. Wie Salmonellen, kann auch E. coli O157 die schwammige Mesophyll erreichen und in dieser Umgebung überleben.

Enteroaggregative E. coli und enterotoxigene E. coli

Enteroaggregative E. coli (EAEC) können eine wichtige Ursache für eine bakterielle Gastroenteritis sein. Jedoch ist die Herkunft von EAEC unbekannt. Es wurden die folgenden zwei Muster einer Bakterienverteilung nach 1 Stunde Inkubationszeit von EAG in Salatblättern beobachtet: (i) diffuse Anhaftung an der Epidermis und (ii) lokalisierte Haftung an der Schutzzelle der Stomata. Die Bindung an die Epidermis wird von der Pilus vermittelt, von der bekannt ist, dass sie eine Rolle bei der Kolonisierung des menschlichen Darms spielt, während die Aggregation um die Stomata von Flagellen vermittelt wird.

Enterotoxigene E. coli (ETEC) bilden in der Kinderheilkunde eine wichtige Ursache für die Reisediarrhö und verursachen einen schweren wässerigen Durchfall bei Kälbern und Ferkeln. Die Geissel ist das wichtigste Hilfsmittel für die Befestigung von ETEC auf der Epidermis von Salatblättern.

 2.2.3. Serratia marcescens

Die Mitglieder der Gattung Serratia verursachen wichtige Infektionen bei Menschen, Tieren und Insekten. Taxonomisch gesehen, ist die Gattung Serratia verwirrend, und derzeit gibt es 14 bekannte Arten mit je zwei Unterarten. Die typische Art, Serratia marcescens, ist ein opportunistisches Humanpathogen, das häufig in den Atemwegen und Harnwegen von Menschen gefunden wird, und sie ist für rund 1,4% der nosokomialen Infektionen verantwortlich, die lebensbedrohlich sein können. Während S. marcescens oft durch die Produktion von rotem Prodigiosin sichtbar wird, sind die mit Krankenhausinfektionen assoziierten Stämme meist nicht pigmentiert. Da viele S. marcescens-Stämme gegen mehrere Antibiotika resistent sind, stellen sie ein wachsendes Problem für die öffentliche Gesundheit dar. Es ist jedoch relativ wenig über die Faktoren bekannt, die zu der Pathogenese durch S. marcescens in ihrem Wirt beitragen.

Doch trotz seiner Virulenz bei Tieren wurde Serratia auch als Phytopathogen nachgewiesen. S. marcescens wurde als Phloem-residenter Erreger erkannt, dass die gelbe Rebenkrankheit beim Kürbis (Cucurbita moschata L.), bei der Wassermelone und beim gelben Kürbis (Cucurbita pepo L.) verursacht, was sich durch Welken, Laubvergilbung und eine Bastverfärbung anzeigt. S. marcescens erzeugt einen Biofilm auf der Phloem, blockiert den Transport von Nährstoffen und verursacht schließlich das Absterben der Pflanze.

2.2.4. Enterobacter cloacae

Ein weiteres Bakterium, das ebenfalls eine Arten übergreifende Pathogenese gezeigt hat, ist das Gram-negative Bakterium Enterobacter cloacae. Es ist ein wichtiger nosokomialer Erreger, verantwortlich für Bakteriämie, Infektionen der unteren Atemwege, für Haut- und Weichteilinfektionen sowie Infektionen der Harnwege. E. cloacae synthetisiert ein dem Shiga- Toxin II ähnliches Cytotoxin, das bei Säuglingen mit dem hämolytisch-urämischen Syndrom in Zusammenhang gebracht wurde. Zwar gibt es Hinweise darauf, dass E. cloacae den menschlichen Wirt besiedeln und sich dort weiterentwickeln kann, es hat sich aber auch als Erreger der grauen Kernkrankheit von Macadamia (Macadamia integrifolia) nachweisen lassen. Der Beginn der grauen Kernkrankheit wirkt sich nicht nur auf die Qualität der durch den Baum produzierten Kerne aus, sondern führt auch zu einer grauen Verfärbung und einen üblen Geruch. E. cloacae verursacht auch die bakterielle Fäulniskrankheit der Drachenfrucht (Hylocereus spp.), die bakterielle Blattrötung von Odontioda Orchideen und ist auch verantwortlich für die interne Vergilbungskrankheit bei Papayas und Zwiebeln. Enterobacter verursacht den Zerfall, nachdem die Zwiebeln geerntet, gehärtet und gelagert wurden. Der Zerfall tritt in der Regel bei einigen wenigen Schuppen der Zwiebel auf und das Gewebe entwickelt eine braune Farbe, die der Frucht einen schmutziges Aussehen verleiht, wenn sie in zwei Hälften geschnitten wird. Wenn die Lagerung vieler Zwiebeln eine ausreichend hohe Inzidenz von Enterobacter Befall aufweisr (> 2-5%), kann die gesamte Menge nicht ohne einen erheblichen Verlust des Erzeugers verkauft werden. Der Mechanismus, wie E. cloacae verursacht den Zerfall verursacht, sowie die Spezifität der Virulenzfaktoren, sind unbekannt und die Entwicklung von Kontrollmethoden für diese Erkrankung ist begrenzt.

2.2.5. Enterococcus

Die Arten übergreifende Pathogenese ist nicht auf Gram-negative Bakterien beschränkt. Enterokokken sind nicht nur Bestandteil der normalen Darmflora von Mensch und Tier, sondern sie sind auch für wichtige Pathogene schwerer Infektionen verantwortlich, vor allem bei immungeschwächten Patienten. Mit zunehmender Antibiotikaresistenz sind Enterokokken als nosokomiale Pathogene bekannt, die nur schwer zu behandeln sind. Die Gattung Enterococcus umfasst mehr als 17 Arten, die aber nur wenige lokale oder systemische klinische Infektionen verursachen können, einschließlich Infektionen der Harnwege und abdominaler Infektionen, Wundinfektionen, Bakteriämie und Endokarditis. Klinische Isolate von E. faecalis wurden als Hämolysin-Virulenzfaktor nachgewiesen, die auf die zu einer Auflösung der roten Blutzellen führt. Hämolytische Stämme zeigen Resistenz gegen mehrere Arzneimittel nicht häufiger als nicht-hämolytische Stämme, während aus Stuhlproben von gesunden Personen isolierte Stämme mit einer niedrigen (17%) Inzidenz der Hämolysin-Produktion einhergehen. E. faecalis ist nicht nur in der Lage, Säuger- und Nematoden zu infizieren, sondern auch die Pflanze Arabidopsis thaliana, wodurch die Pflanzen 7 Tage nach der Inokulation unter Laborbedingungen eingegangen sind. Die Manifestation der Erkrankung beginnt, sobald das Bakterium erfolgreich an der Blattoberfläche siedelt, so dass beim Eintritt in das Blattgewebe durch die Spaltöffnungen oder Verletzungen E. faecalis auch die Interzellularräume der Wirtspflanze besiedelt und Fäulnis und Störungen an der Pflanzenzellwand und deren Membranstrukturen verursacht. Die Phytopathogenität von E. faecalis scheintauch an der Pathogenese von Tieren beteiligt z sein und einige der gleichen genetischen Determinanten einzubeziehen, einschließlich des Quorum-Sensing-System-Gens und eine Serin-Protease. E. faecalis verwendet eindeutig eine allgemeine Krankheitsstrategie, indem es sie die gleichen Virulenzfaktoren für zwei verschiedene Wirte nutzt.

 2.2.6. Listeria monocytogenes

L. monocytogenes ist am besten bekannt als schwerer Krankheitserreger, der auf den Menschen durch den Verzehr von kontaminierten Lebensmitteln übertragen wird. Es ist jedoch auch ein Bakterium, das üblicherweise im Boden, verbunden mit verrottendem Pflanzengut, vorfindlich ist. So kann es mit einem beliebigen Pflanzenprodukt in Kontakt kommen, das im Erdreich gezüchtet wird. Ungewöhnlich für einen menschlichen Krankheitserreger ist, dass es Pflanzenzucker für sein Wachstum nutzt, sodass er oft ein Problem für minimal verarbeitetes Obst oder Gemüse darstellt. Insbesondere wenn Gemüse oder Obst geschnitten werden, wird Zucker freigesetzt, die Listeria für seibn Wachstum nutzen kann.

Listeria im Pflanzengewebe. Es ist noch unklar, ob L. monocytogenes in Pflanzengewebe integriert werden kann. Die derzeit verfügbaren Informationen über die Internalisierung von Listeria stammen von sehr begrenzten Studien und einige der Ergebnisse sind widersprüchlich. Es hat sich gezeigt, dass, wie bei E. coli, Listeria die Stomata der Blätter besiedeln kann, aber ob es sich dabei um eine aktive oder eine passive Form des Einfangens von Bakterien innerhalb der Struktur (die weit größer ist als die Bakterienzelle) handelt, wurde nicht festgestellt. Allerdings können Bakterien durch natürliche Öffnungen in die Pflanze eindringen können, weshalb diese durch verschiedene Desinfektionsmitteln nach dem Schließen der Schließzellen geschützt werden können. Da der Organismus häufig im Boden gefunden wird, ist der Eintritt von Listeria ins Blattgewebe eher nach der Ernte zu erwarten anstatt während des Wachstums. Die Obst- und Gemüsekulturen können nach der Ernte kontaminiert werden, wenn eine genügend große Temperaturdifferenz zwischen der Ernte und dem Wasser zur Reinigung eine Bewegung von Wasser im Pflanzengewebe ermöglicht. Nach der Eingabe ist es wahrscheinlich, dass die Bakterien über den Massenstrom von Wasser transportiert werden.

Eine Ausnahme ergibt sich, wenn mit Listeria verunreinigter Dünger verwendet wurde, wie Krautsalat-Infektion im Jahr 1981. Dies ist der erste Ausbruch von L. monocytogenes, der auf jeden Fall mit der Nahrung verbunden und in Kanada in mindestens 41 Fällen mit 7 Todesfällen nachgewiesen werden konnte. In diesem Fall wurde gezeigt, dass Gülle von Listeria-infizierten Schafen als organischer Dünger verwendet worden war, so dass beim Anbau von Salat schwere Blatt-Kontaminationen auftraten.

Das Wachstum von Listeria auf frischen Produkten. Rohstoffe können sich in ihrer Fähigkeit unterscheiden, das Wachstum von L. monocytogenes zu unterstützen. Einige Studien wurden durchgeführt, um dieses Wachstum auf intakten und geschädigten oder geschnittenen Produkten miteinander zu vergleichen. Wachstum auf intakten Tomaten wurde bestätigt, aber Studien zu Karotten, Kohl, Paprika und Cantaloupe-Melonen zeigten ein solches Wachstum nur für geschnittene, geschredderte oder beschädigte Produkte. In der Regel wächst Listeria gut auf geschreddertem Salat, wobei seine Population Bevölkerung während der Lagerung zunimt. Man fand heraus, dass das Überleben und die Wachstumsmuster auf Gemüse je nach Stamm, Produkttyp und Verpackung variieren. Es wurde vermutet, dass eine Verpackung unter modifizierten Bedingungen die Fähigkeit von L. monocytogenes erhöht, durch die Hemmung konkurrierender Mikroflora zu wachsen, aber dies muss erst noch nachgewiesen werden; und die Wirkung kann sich durch die Ware, ihre Zusammensetzung und je nach Lagerbedingungen unterscheiden. Allerdings hemmt „Modified Atmosphere Packaging (MAP)“ offenbar nicht das Wachstum von L. monocytogenes, und eine verlängerte Haltbarkeit könnte als solche das Listeriose-Risiko erhöhen.

Signifikante Unterschiede wurden im Hinblick auf die Fähigkeit von Listeria, bei Wärme und sauren Bedingungen auf verpackten Gemüse zu überleben, beobachtet. Gekochte oder pasteurisierte Produkten unterstützen in der Regel ein schnelles Wachstum und stellen eine Gefährdung nach Nachbearbeitung durch Kontamination dar, vor allem dann, wenn die produkte nicht gekühlt und ohne Erhitzung konsumiert werden. Es wird derzeit angenommen, dass die meisten produzierten Waren das Wachstum von L. monocytogenes unterstützen.