Photorhabdus ist eine Gattung von biolumineszierenden, gramnegativen Stäbchenbakterien, die symbiotisch in entomopathogenen (Insekten befallenden) Nematoden lebt.[1]
Photorhabdus ist bekanntlich ein Pathogen für ein breites Spektrum an Insekten und wurde in der Landwirtschaft bereits als Biopestizid verwendet. Die Symbiose mit den Nematoden besteht darin, dass sie deren Larven helfen, die Insekten zu parasitieren.
Der erste Namensbestandteil „photo“ weist auf die Biolumineszenz hin, der zweite „rhabdus“ auf die Stäbchenform.[1]
Photorhabdus-Arten erleichtern die Vermehrung entomopathogener Nematoden, indem sie anfällige Insektenlarven infizieren und abtöten.[2] Entomopathogene Nematoden sind normalerweise im Boden zu finden. Die Nematoden infizieren die Larven, indem sie deren Cuticula der Larven durchlöchern. Wenn der Nematode in eine Insektenlarve eindringt, werden von ihm die Photorhabdus-Bakterien freigesetzt, die eine Reihe von Toxinen produzieren und den Wirt innerhalb von 48 Stunden abtöten. Die Photorhabdus-Bakterien ernähren sich vom „Kadaver“ des Insekts und verwandeln diesen in eine Nährstoffquelle für den Fadenwurm. Die adulten (ausgewachsenen) Nematoden verlassen den Insektenkörper und suchen sich neue Wirte, die sie befallen können.
Während der stationären Wachstumsphase in den Insektenlarven produzieren die Photorhabdus-Bakterien ein Toxin namens 3,5-Dihydroxy-4-isopropyl-trans-Stilben (ST, syn. Benvitimod, Tapinarof, CAS-Nr. 79338-84-4).[3][4] Von diesem Stoff wird vermutet, dass er als selektives Antibiotikum wirkt und so Photorhabdus-Bakterien vor der Konkurrenz anderer Mikroorganismen schützt. Außerdem scheint er zu helfen, das Immunsystem des Insekts zu umgehen.[1]
Photorhabdus-Arten sind als Endosymbionten für Heterorhabditis-Nematoden von essentieller Bedeutung.
Es wird vermutet, dass die Photorhabdus-Arten die Toxin-Gene im Laufe der Evolution durch horizontalen Gentransfer (HGT) erworben haben.
Die Effizienz der Photorhabdus-Arten darin, Insekten zu röten und ihre Eignung als Biopestizid wurden untersucht. Die Verwendbarkeit von Photorhabdus-Arten alleine als Biopestizid, unabhängig von den Nematoden-Symbionten gegen
wurde erfolgreich gezeigt.[6] Sie haben auch das pathogene Potenzial, den Asiatischen Maiszünsler (Ostrinia furnacalis, en. Asian corn borer), einen Maisschädling in Ostasien, innerhalb von 48 Stunden zu töten.
Die ersten drei gefundenen Photohabdus-Spezies sind P. luminescens, P. temperata und P. asymbiotica.
P. asymbiotica ist nachweislich für den Menschen ansteckend. Die Fälle sind bisher (Stand 2008) auf den US-Bundesstaat Texas und die Goldküste Australiens beschränkt und verlaufen meist nicht tödlich.[1] Der erste derartige Fall einer Infektion beim Menschen wurde 1989 von den Centers for Disease Control (CDC) in den Vereinigten Staaten gemeldet.[7][8]
Obwohl es sich bei P. luminescens um ein insektenpathogenes Bakterium handelt, wurde es in Australien gelegentlich beim Menschen aus infizierten Hautläsionen beim Menschen isoliert, die wahrscheinlich von Spinnenbissen herrührten. Im Jahr 1999 wurden in einer Studie insgesamt vier Fälle von P. luminescens-Infektionen im Südosten Australiens gemeldet, einer im Jahr 1994 und drei im Jahr 1998.[8]
Die Gattung setzt sich gemäß LPSN wie folgt zusammen,[9] teilweise mit Untergliederungen wiedergegeben nach NCBI[10] (Stand: 1. September 2021; die ursprünglichen drei Arten sind fett wiedergegeben):
Gattung Photorhabdus Boemare et al. 1993
P. luminescens subsp. akhurstii[11] P. luminescens subsp. laumondii[11]
Die Typusspezies Photorhabdus luminescens (veraltet Xenorhabdus luminescens) ist ein tödlicher Krankheitserreger für Insekten und bakterieller Symbiont des Fadenwurms Heterorhabditis megidis (Familie Strongyloidea).[13][14] Das Bakterium lebt im Darm dieses entomopathogenen Fadenwurms.
Im Jahr 2003 wurde das vollständige Genom von P. luminescens sequenziert. Die DNA-Sequenz enthält eine Reihe von Genen, die für die Tötung des Insekts nach der Infektion unerlässliche Toxine kodieren. Dazu gehören Gene für Toxine, die beispielsweise den Tabakhornwurm (die Larve des Tabakschwärmers Manduca sexta)[15] abtöten.[16] Insgesamt werden die von P. luminescens abgesonderten Toxine in vier Hauptgruppen eingeteilt:[17]
Im Detail:
P. luminescens ist biolumineszent; der Grund dafür ist jedoch noch nicht ganz geklärt. Es wurde berichtet, dass eine Infektion der Wunden von Soldaten im Amerikanischen Bürgerkrieg mit diesem Bakterium die Wunden zum Leuchten brachte und dass dann das Überleben der Soldaten aufgrund der Produktion von Antibiotika durch P. luminescens gefördert hätte.[24][25] Dies führte zu dem Spitznamen Angel's Glow für dieses Phänomen.[26] Als eine Anwendung wird diese Fähigkeit von P. luminescens als Quelle für die Biolumineszenz-Bildgebung (en. bioluminescence imaging, BLI) genutzt.
Photorhabdus ist eine Gattung von biolumineszierenden, gramnegativen Stäbchenbakterien, die symbiotisch in entomopathogenen (Insekten befallenden) Nematoden lebt.
Photorhabdus ist bekanntlich ein Pathogen für ein breites Spektrum an Insekten und wurde in der Landwirtschaft bereits als Biopestizid verwendet. Die Symbiose mit den Nematoden besteht darin, dass sie deren Larven helfen, die Insekten zu parasitieren.
Photorhabdus is a genus of bioluminescent, gram-negative bacilli which lives symbiotically within entomopathogenic nematodes, hence the name photo (which means light producing) and rhabdus (rod shape).[1] Photorhabdus is known to be pathogenic to a wide range of insects and has been used as biopesticide in agriculture.
Photorhabdus species facilitate the reproduction of entomopathogenic nematodes by infecting and killing susceptible insect larvae.[2] Entomopathogenic nematodes are normally found in soil. Nematodes infect larval hosts by piercing the larval cuticle. When the nematode enters an insect larvae, Photorhabdus species are released by the nematodes and will produce a range of toxins, killing the host within 48 hours. Photorhabdus species feed on the cadaver of the insect and the process converts the cadaver into a nutrient source for the nematode. Mature nematodes leave the depleted body of the insect and search for new hosts to infect.
During stationary phase growth inside insect larvae, Photorhabdus species synthesize a molecule called 3,5-Dihydroxy-4-isopropyl-trans-stilbene (ST). It is proposed that ST acts as an antibiotic and protects Photorhabdus species from competition from other microorganisms, and also helps circumvent the insect's immune system.[1]
Photorhabdus species are essential endosymbionts for Heterorhabditis nematodes.
The complete genome of Photorhabdus luminescens was sequenced in 2003. The DNA sequence of Photorhabdus contains a number of toxin-encoding genes that are essential for killing the insect after infection. This includes genes encoding toxins that kill Manduca sexta, the tobacco hornworm, gene mcf that causes apoptosis in insect hemocytes and midgut epithelium, and genes that intervene in the development of insect host.[3]
Another important sequence identified is the gene encoding polyketide and nonribosomal peptide syntheses which produce antibiotics to protect against microbial competitors.[3]
It is proposed that Photorhabdus species acquired the toxin genes by horizontal gene transfer during evolution.
The efficiency of insect-killing nature of Photorhabdus species and its potential use as biopesticide have been studied. Use of Photorhabdus species alone as biopesticide, independent of its nematode symbiont, against the cabbage white butterfly, Pieris brassicae, mango mealy bug, Drosicha mangiferae and the pupae of the diamond back moth, Plutella xylostella has been demonstrated successful.[4] It also has the pathogenic potential to kill the Asian corn borer, a pest of maize in east Asia, in 48 hours.
Three species of Photohabdus have been found, which are Photorhabdus luminescens, Photorhabdus temperata and Photorhabdus asymbiotica. P. asymbiotica has been shown to be infectious to human, but the cases are mostly non-fatal and are restricted to the US state of Texas and the Gold Coast of Australia.[1]
The first case of human infection was reported by the Centers for Disease Control in the United States in 1989.[5]
In 1999, a study reported another four cases of Photorhabdus luminescens infection in south eastern Australia, one in 1994 and three in 1998.[6]
Photorhabdus is a genus of bioluminescent, gram-negative bacilli which lives symbiotically within entomopathogenic nematodes, hence the name photo (which means light producing) and rhabdus (rod shape). Photorhabdus is known to be pathogenic to a wide range of insects and has been used as biopesticide in agriculture.
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