Bakterien-Dressur im Wurzelraum

In unterschiedlichen Entwicklungsphasen sondern Pflanzen über ihre Wurzeln unterschiedliche Nährstoffe ab. Damit beeinflussen sie, welche Gruppen von Bakterien dort dominieren – und profitieren ihrerseits von deren Stoffwechselprodukten.

Freunde sucht man sich aus und unterstützt sie. Das scheint nicht nur für Menschen, sondern auch für Pflanzen zu gelten, wie aktuelle Forschungsergebnisse nahelegen. Schon länger ist bekannt, dass Mikroorganismen im Inneren einer Pflanze, auf den Blättern und im Wurzelraum die Entwicklung und Leistungsfähigkeit der Pflanze beeinflussen. Ausschlaggebend dafür ist der bakterielle Stoffwechsel.

Eine internationale Forschungskooperation unter Beteiligung des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung in Leipzig hat sich nun den Wurzelraum näher angesehen. Zehntausende Arten von Bakterien leben dort in nur einem Gramm Boden. Sie können Pflanzen bei der Aufnahme von Nährstoffen unterstützen und deren Widerstandsfähigkeit gegenüber Trockenheit, Krankheiten und Schadinsekten stärken. Außerdem beeinflussen sie, wie viel Kohlenstoff im Boden und in der Pflanze gespeichert wird.

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Ein Kommen und Gehen von Bakterien im Wurzelraum

Das Forscherteam wollte daher wissen, ob Pflanzen zielgerichtet beeinflussen, welche Mikroorganismen in ihrem Wurzelraum leben. Denn die Zusammensetzung der Arten im Wurzelraum – das Mikrobiom – variiert je nach lokalen Gegebenheiten, zeigt aber für gleiche Pflanzenarten durchaus Übereinstimmungen.

Für ihre Untersuchung wählten die Wissenschaftler den wilden Hafer (Avena barbata). Sie kultivierten aus dem Wurzelraum des Grases zu unterschiedlichen Zeitpunkten 289 Bakterienarten und charakterisierten diese. Anschließend konzentrierte sich das Team auf 39 Arten, deren Anteil am Mikrobiom im Verlauf des Pflanzenwachstums stark zunahm (19), abnahm (8) oder in etwa konstant blieb (12). Zwar erfasste die Studie nur einen Teil des Mikrobioms, allerdings repräsentierten die näher betrachteten Arten etwa ein Neuntel der genetischen Vielfalt und einen noch größeren Anteil der Bakterien in absoluten Zahlen.

Anhand von Genomanalysen wurde dann untersucht, was die Vermehrung und das Verschwinden der einzelnen Bakterienarten im Verlauf der pflanzlichen Entwicklung erklären könnte. Die Ergebnisse legten nahe, dass die bevorzugten Nahrungsquellen der Mikroorganismen entscheidend sind.

Reichhaltiges Nahrungsangebot für Bakterien

Das Nahrungsangebot im Wurzelraum wird maßgeblich von der Pflanze geprägt. Sie scheidet vor allem Zucker, Aminosäuren, organische Säuren, Fettsäuren und diverse sekundäre Pflanzenstoffe ab. Bakterienarten, die vom Wachstum des wilden Hafers profitierten, verfügten über effizientere Mechanismen für die Aufnahme von organischen Säuren und Aminosäuren. Arten, deren Vorkommen im Verlauf des pflanzlichen Wachstums abnahm, konnten hingegen besonders gut Glykoside verwerten.

Außerdem zeigten die Genomanalysen, dass sich langsam vermehrende Mikroorganismen deutlich häufiger in der Rhizosphäre vorkommen. Ein langsamerer Stoffwechsel zeugt in der Regel von einer höheren Substrateffizienz. Offenbar ist das für das Überleben im Wurzelraum vorteilhafter als eine schnelle Vermehrung. Eine experimentelle Überprüfung dieser Hypothesen steht allerdings noch aus.

Sicher ist hingegen, wie sich die Wurzelabscheidungen des wilden Hafers im Verlauf seines Wachstums verändern. Das untersuchten die beteiligten Forscher zu vier Zeitpunkten in Hydrokulturen, bei denen sich die abgesonderten Stoffe sehr präzise mittels Flüssigchromatographie und Massenspektrometrie qualitativ und quantitativ erfassen lassen.

Bakterienfütterung lenkt das Wurzelmikrobiom

In der dritten Wachstumswoche zeigten sich erhöhte Konzentrationen von Saccharose und Homoserin in den Wurzelausscheidungen. Saccharose ist bekanntermaßen wichtig für das Wurzelwachstum, für die Entwicklung von symbiotischen Beziehungen zwischen Pflanze und Mikroorganismen und wahrscheinlich auch für pflanzliche Abwehrmechanismen.

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In Woche sechs und neun, der vegetativen Entwicklungsphase des Hafers, stiegen insbesondere die Konzentrationen von Aminosäuren und aromatischen Verbindungen an. Aromatische Verbindungen, auch das weiß man bereits, spielen eine wichtig Rolle für die Abwehr von Krankheitserregern. In der zwölften Woche, der Phase der Seneszenz, nahmen in den Abscheidungen quaternäre Ammoniumsalze und Pflanzenhormone zu. Die identifizierten Substanzen sind hier meist entweder an Reaktionen auf Umweltstress beteiligt oder regulieren die pflanzliche Seneszenz.

Die Wurzelabscheidungen des wilden Hafers folgen demnach einem genetisch bestimmten Muster. Und es passt sehr gut zu den beobachteten Veränderungen im Wurzelraummikrobiom, wie die Wissenschaftler feststellten. Tatsächlich gediehen während der einzelnen Phasen des Wachstums jene Bakterienarten besonders gut, die die Wurzelexsudate der jeweiligen Phase bevorzugt verwerteten. „Indem die Pflanzen steuern, welche Bakterien in ihrem Wurzelraum gedeihen, könnten die Pflanzen versuchen, sich vor weniger freundlichen Pathogenen zu schützen und Mikroben zu fördern, die ihre Nahrungsversorgung stimulieren“, interpretiert Studienleiter Eoin Brodie.

Realitätscheck

Anschließend überprüfte das Team die gewonnenen Erkenntnisse in der Praxis: Auf Basis der bevorzugten Nahrungssubstrate postulierten sie, wie sich die Population von bestimmten Bakterienarten im Wurzelraum des wilden Hafers während dessen Wachstums verändern würde. In drei von vier Fällen trafen die Vorhersagen zu.

„Wir haben gezeigt, dass programmierte Entwicklungsprozesse in Pflanzen in dynamischen Mustern der chemischen Zusammensetzung ihrer Wurzelexsudate resultieren“, resümiert das Forschungsteam. „Diese chemische Abfolge in der Rhizosphäre interagiert mit den mikrobiellen Substratvorlieben, die anhand von genetischen Analysen vorhergesagt werden können.“

Fazit für die Pflanzenzüchtung

In dieser Erkenntnis steckt wahrscheinlich der größte Gewinn. Denn damit könnte man die Wurzelabsonderungen von Nutzpflanzen gezielt so optimieren, dass nutzbringende Bakterienarten zur richtigen Zeit vorhanden sind – für schnelleres Wachstum, zur Abwehr von Krankheiten oder zur Bewältigung von Umweltstress.