Lernen Sie die Bakterien kennen, die Olivenhaine und Weinberge zerstören

Zusammenfassung

Xylella fastidiosa ist ein Bakterium, das Pflanzenkrankheiten wie das Olive Quick Decline Syndrome (OQDS) verursacht und jährliche wirtschaftliche Schäden von über 5.5 Milliarden Euro verursacht. Das Bakterium kann sich über das Xylem in Pflanzen ausbreiten und zu Wasserstress und Nährstoffmangel führen, was wiederum Krankheitssymptome hervorruft. Die Bemühungen zur Bekämpfung konzentrieren sich auf Prävention, Eindämmung und die Erforschung von Behandlungsmethoden.

Eine der top 20 prioritäre Pflanzenschädlinge, Xylella fastidiosa ist ein Bakterium, das verschiedene Pflanzenkrankheiten verursacht. 

Es verursacht das tödliche Olive Quick Decline Syndrome (OQDS), das in den letzten 15 Jahren zu weitverbreiteten Krankheitsausbrüchen in Europa geführt hat und dessen wirtschaftliche Auswirkungen sich schätzungsweise auf über 5.5 Milliarden Euro jährlich belaufen.

Die Ursprünge des Bakteriums in Europa und weltweit

Xylella fastidiosa ist eine von nur zwei bekannten Xylella-Arten; die andere ist Xylella taiwanensis, die auf der Insel Taiwan bei asiatischen Birnen die Birnenblattverbrennung verursacht.

X. fastidiosa ist ein aerobes, gramnegatives Bakterium, das im Wassertransportgewebe von Pflanzen (Xylem) wächst und weltweit zahlreiche Pflanzenkrankheiten verursacht. 

Die Bakterien können sich über das Xylem ungehindert durch die Pflanzen bewegen und vermehren sich dabei ständig. 

Sobald ihre Anzahl einen kritischen Wert erreicht, blockiert der entstehende Biofilm das Xylem, was zu Wasserstress und einem Mangel an Elementen wie Zink und Eisen führt, die wiederum viele der Symptome verursachen, die mit den Krankheiten in Verbindung gebracht werden, mit denen der Erreger in Verbindung gebracht wird.

Die ersten Berichte über eine derartige Krankheit erschienen im Jahr 1892, als eine unbekannte Seuche etwa 14,000 Hektar (34,600 Acres) kalifornischer Weinberge vernichtete. 

Dieser ​"Die „Anaheim-Krankheit“ wurde später nach Newton Pierce, dem Bakteriologen, der zur Untersuchung des Ausbruchs hinzugezogen wurde, in Pierce-Krankheit umbenannt. 

Pierce vermutete richtigerweise, dass die Krankheit durch einen mikroskopisch kleinen Infektionserreger verursacht wurde, obwohl es ihm nicht gelang, den spezifischen Erreger zu isolieren oder zu identifizieren.

Für die meisten der 20^th Jahrhundert wurde X. Fastidiosa erst 1973 als Bakterium anerkannt. Erst 1987 wurde das Bakterium offiziell beschrieben und von Wells et al. Xylella fastidiosa genannt. 

Seitdem wurden 696 Pflanzenarten aus 88 botanischen Familien als geeignete Wirte für den Erreger identifiziert.

Zu den bekannten Krankheiten, die durch Xylella verursacht werden, zählen mehrere von erheblicher landwirtschaftlicher und wirtschaftlicher Bedeutung. Dazu gehören die bereits erwähnte Pierce-Krankheit, die der kalifornischen Weinindustrie derzeit jährlich geschätzte Verluste von 104 Millionen US-Dollar (92 Millionen Euro) beschert, sowie die Olivenblattverbrennung und das OQDS.

OQDS führt zum Welken und Austrocknen der Blätter, Zweige und Äste des Olivenbaums, wodurch dieser keine Früchte mehr trägt und schließlich umfällt und abstirbt.

Worst-Case-Prognosemodelle gehen davon aus, dass allein in Italien bis 5.6 wirtschaftliche Verluste von bis zu 2070 Milliarden Euro entstehen werden. Schätzungsweise 100,000 Arbeitsplätze sind in dem Land aufgrund von Krankheitsausbrüchen bereits verloren gegangen.

Aufgrund seiner zerstörerischen Wirkung und seiner Fähigkeit, sich schnell an neue Umgebungen und Wirte anzupassen, wird Xylella fastidiosa in der EU als Quarantäneorganismus eingestuft. Seine Einschleppung in das Unionsgebiet und seine Verbringung innerhalb des Unionsgebiets sind gesetzlich verboten.

Wie sich Xylella verbreitet und wo es derzeit vorkommt

Xylella fastidiosa stammt aus Mittelamerika und wird zwischen Wirtspflanzen durch xylemfressende Insekten aus den Familien Cicadellidae (Zikaden) und Cercopidae (Schaumzikaden und Schaumzikaden) übertragen. 

Solche Insekten verfügen nur über rudimentäre Flugfähigkeiten über kurze Distanzen (etwa 100 Meter), konnten aber, vom Wind getragen, deutlich größere Entfernungen zurücklegen. Es wurde auch gezeigt, dass Bakterien unter der Erde über Wurzelveredelungen übertragen werden.

Die Verbreitung über große Entfernungen erfolgt meist durch die Bewegung infizierter Pflanzen. Man geht davon aus, dass der Erreger auf diese Weise in Italien eingeführt und anderen europäischen Nationen.

Im Oktober 2013 war Xylella fastidiosa gefunden, Olivenbäume zu infizieren in der Region Apulien in Süditalien. 

Dies war das erste Mal, dass das Bakterium in der Europäischen Union gemeldet wurde. Die Krankheit führte zu einem rapiden Rückgang der Olivenerträge und betraf im April 2015 die gesamte Provinz Lecce und andere Gebiete Apuliens.

Die in Italien betroffene Unterart wurde als X. fastidiosa subsp. pauca identifiziert, ein Stamm, der eine ausgeprägte Vorliebe für Olivenbäume und warmes Klima zeigt. Aufgrund ihres verheerenden Potenzials wurde diese Unterart in den USA unter den Agricultural Bioterrorism Protection Act gestellt.

Als Reaktion auf die Krankheitsausbrüche in Italien berief die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) im November 2015 einen außerordentlichen wissenschaftlichen Workshop ein. 

Mehr als 100 Wissenschaftler aus aller Welt nahmen an der Veranstaltung teil, um große Wissenslücken zu identifizieren und Forschungsprioritäten in Bezug auf den Erreger zu diskutieren. 

Im selben Monat gelangte die EFSA aufgrund laufender Experimente in Apulien zu dem Schluss, dass Weinreben in der Region ein mögliches Reservoir für Xylella seien.

Im Oktober 2015 hatte der Erreger die Region Provence-Alpes-Côte d'Azur auf dem französischen Festland erreicht, wo die Unterart X. fastidiosa subsp. multiplex die aus Südafrika eingeführte Pflanzenart Myrtenblättrige Kreuzblume befallen hatte. 

Im folgenden Jahr wurde das Bakterium identifiziert in Korsika und Deutschland. Im Jahr 2017 wurde es auf den spanischen Inseln Mallorca und Ibiza und anschließend auf dem spanischen Festland.

Xylella wurde seitdem in Olivenbäumen und anderen Wirtspflanzen auf der gesamten Iberischen Halbinsel sowie im Libanon und Israel Im mittleren Osten.

Die Rolle des Klimawandels bei der Verbreitung von Xylella

Umfangreiche Untersuchungen zeigen, dass Klimawandel erhöht das Risiko des Ausbruchs von Pflanzenkrankheiten, wobei Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen die Hauptursachen sind.

Mit dem weltweiten Temperaturanstieg erweitert sich die geografische Reichweite vieler Krankheitserreger, wodurch neue Regionen und Pflanzenarten Krankheiten ausgesetzt werden, die bisher auf wärmere Klimazonen beschränkt waren. 

Höhere Temperaturen begünstigen im Allgemeinen die Vermehrung und Ausbreitung von Pilz- und Bakterienarten, insbesondere in Kombination mit erhöhter Luftfeuchtigkeit. 

Darüber hinaus verlängern höhere Mindesttemperaturen die saisonal aktive Periode von Organismen und erhöhen ihre Fähigkeit, den Winter zu überstehen und in der Umwelt zu überleben. Dies gilt nicht nur für Krankheitserreger, sondern auch für ihre Überträger.

Höhere Temperaturen begünstigen nicht nur das Wachstum vieler Krankheitserreger, sondern können auch die natürlichen Abwehrmechanismen einer Pflanze durch Prozesse wie Hitze- und Wasserstress schwächen. Dadurch werden die Pflanzen anfälliger für Infektionen und es besteht ein höheres Risiko für größere Schäden und eine höhere Sterblichkeitsrate.

Speziell im Hinblick auf Xylella fastidiosa analysierte ein aktuelles klimabasiertes epidemiologisches Modell die Anfälligkeit europäischer Länder für die Krankheit in verschiedenen Klimawandelszenarien. Dazu wurden die klimatischen Bedingungen bewertet, die sowohl vom Erreger als auch von seinem Hauptüberträger, Philaenus spumarius, auch Wiesenschaumzikade genannt, begünstigt werden. Dieses Insekt wurde bereits als Überträger für die Verbreitung des Bakteriums in italienischen Olivenhainen identifiziert.

Die Studie ergab, dass ein Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur um 1.5 °C den Anteil der gefährdeten Landfläche in Europa auf 0.32 Prozent erhöht, während ein Anstieg um 4 °C die Fläche auf 1.87 Prozent erhöht. 

Innerhalb des analysierten Temperaturanstiegsbereichs wurde ein Kipppunkt von drei Grad Celsius identifiziert. Jenseits dieser Schwelle, so die Forscher, steigt das Risiko einer Ausbreitung des Erregers nördlich des Mittelmeerraums deutlich an, was eine rasche Ausbreitung in bisher nicht betroffene Gebiete ermöglicht.

Die Autoren behaupten außerdem, dass die klimatischen Bedingungen in Europa (mit Ausnahme der Mittelmeerinseln) vor Mitte der 1990er Jahre höchstwahrscheinlich verhinderten, dass sich das Bakterium auf dem Kontinent festsetzte.

Bemühungen zur Bekämpfung von Xylella fastidiosa

Da es für erkrankte Pflanzen kein bekanntes Heilmittel gibt, konzentrieren sich die derzeitigen Bekämpfungsmaßnahmen auf Prävention und Eindämmung. 

Die wirksamste und allgemein gebräuchlichste Strategie erfordert sowohl die umfassende Entfernung infizierten Pflanzenmaterials, das als Reservoir für das Bakterium dienen kann, als auch die Kontrolle der Insektenvektorpopulationen.

Zusätzlich zur vollständigen Entfernung von bekanntermaßen infiziertem Pflanzenmaterial empfiehlt die EFSA die Schaffung eines ​"Pufferzone“ von mindestens 100 Metern, aus der auch alle anfälligen Pflanzenarten entfernt und vernichtet werden.

Aufgrund der Virulenz des Erregers empfehlen Experten, bei der Entfernung und dem Transport sämtlichen organischen Materials während dieses Vorgangs Schutzmaßnahmen zu ergreifen.

Ähnlich kompliziert ist auch die Bekämpfung von Insektenüberträgern, die nicht nur die Beseitigung der Organismen selbst, sondern auch ihrer Lebensräume erfordert. 

Dies ist aufgrund der polyphagen Natur und der mehrstufigen Lebenszyklen solcher Insekten notwendig. Philaenus spumarius beispielsweise ernährt sich bekanntermaßen von mindestens 170 Wirtspflanzen und durchläuft nach dem Schlüpfen fünf verschiedene Entwicklungsstadien.

Behandlung und Forschung für Xylella fastidiosa

Kombinationen aus veränderten Anbaumethoden, bakteriziden Behandlungen und Eingriffen zur Verbesserung des physiologischen Zustands des Wirtes haben sich als vielversprechend erwiesen, um den Krankheitsverlauf zu beeinflussen und sogar die Wiederaufnahme der Ernte zu ermöglichen. Bisher ist es jedoch keiner dieser Methoden gelungen, den Erreger in einer infizierten Pflanze auszurotten.

Die Forschung an Behandlungsmethoden wird durch den Quarantänestatus von Xylella, insbesondere innerhalb der EU, stark eingeschränkt. Zu den weiteren EU-Beschränkungen gehört das Verbot des Einsatzes von Antibiotika im Pflanzenschutz. Die Forschungsgebiete unterscheiden sich daher je nach geografischer Region.

In den Vereinigten Staaten, wo der Einsatz von Antibiotika bei Pflanzen zugelassen ist, liegen Informationen aus Versuchen mit Antibiotika wie Oxytetracyclin, Tetracyclin und Streptomycin bei der Blattbehandlung der Pierce-Krankheit sowie zur Mikroinjektion von Oxytetracyclin bei der Behandlung der durch Xylella verursachten Blattverbrennung bei Amerikanischen Ulmen vor. 

Obwohl in solchen Studien eine Linderung der Symptome nachgewiesen werden konnte, gelang es in keinem dieser Versuche, die Infektion zu beseitigen, und nach Beendigung der Behandlung kehrten die Symptome zurück.

Eine wichtige Initiative in Europa ist die Biovexo-Projekt, eine Innovationsmaßnahme des Gemeinsamen Unternehmens für biobasierte Industrien (BBI-JU), die 2020 im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizont 2020 der Europäischen Union gestartet wurde.

BIOVEXO zielt speziell auf die Bekämpfung von Xylella im Olivenanbau ab und entwickelt zwei Hauptklassen umweltfreundlicher Biopestizide: ​"X-Biopestizide“, die den Erreger direkt angreifen, und ​"V-Biopestizide“, die auf die Schaumzikaden abzielen, die als primärer Übertragungsvektor des Erregers fungieren. 

Als Testsubstanzen werden Bakterienstämme, ein mikrobieller Metabolit, Pflanzenextrakte und ein entomopathogener Pilz eingesetzt.

In einem neuartigen Ansatz befasst sich eine aktuelle brasilianische Forschung mit N-Acetylcystein, einem häufig eingesetzten schleimlösenden Medikament zur Behandlung einer Paracetamol-Überdosis und zum Lösen von zähem Schleim bei Erkrankungen wie Lungenentzündung und Bronchitis beim Menschen. 

Obwohl die dafür verantwortlichen Mechanismen noch nicht vollständig verstanden sind, haben erste Ergebnisse gezeigt, dass das Medikament bei der Zerstörung bakterieller Biofilme wirksam ist, wenn es durch Bewässerung auf Hydrokultur- oder Feldfrüchte angewendet wird.

Angesichts der Rolle, die Biofilme beim Schutz von Bakterien vor antimikrobiellen Behandlungen spielen und die letztlich zu bakterieller Resistenz führt, könnte dieser Forschungsbereich auf dem Vormarsch sein, da der Abbau der schützenden Biofilmmatrix die Wirksamkeit von Behandlungen, die direkt auf das Xylella-Bakterium abzielen, deutlich erhöhen könnte.

Bis ein Mittel gefunden wird, den Erreger präzise und systematisch in seinem gesamten Wirt abzutöten – was diesen Forschungsergebnissen zufolge eines Tages möglich sein könnte –, werden Quarantäne und Vernichtung infizierter Pflanzen wahrscheinlich die wirksamste Bekämpfungsmethode bleiben.