Basis für Mikrobiom-Forschung etabliert

Pflanzen beherbergen über hundert bakteriellen Arten, die vermutlich für Pflanzenwachstum und Pflanzengesundheit von enormer Bedeutung sind. Wer dort wachsen darf, wählen Pflanzen offenbar gezielt aus. Wissenschaftler haben nun mehr als die Hälfte der auf Blättern und Wurzeln der Ackerschmalwand vorkommenden Bakterien kultiviert. Damit lassen sich beliebige mikrobielle Lebensgemeinschaften in den Blättern und Wurzeln von Arabidopsis nachstellen. Damit wird Arabidopsis thaliana abermals zum Modell für andere Pflanzen. Nur dieses mal nicht allein, sondern in Gesellschaft von Mikroben.

Eigentlich kaum vorstellbar: Der menschliche Körper beherbergt mehr Bakterien als körpereigene Zellen. Um Krankheitserreger erfolgreich abzuwehren und wertvolle Stoffe aus der Nahrung zu gewinnen, sind wir Menschen unbedingt auf unsere zahlreichen mikrobiellen Mitbewohner angewiesen. Ähnlich scheint es auch den Pflanzen zu ergehen, deren Blätter, Äste, Zweige und Wurzeln ebenfalls von unzähligen Mikroorganismen besiedelt sind. Wie sich dieses Bakteriengefüge genau zusammensetzt und welche Aufgaben es übernimmt, ist Gegenstand aktueller Forschungsvorhaben. Wissenschaftler des Max Planck-Instituts für Züchtungsforschung in Köln haben nun wichtige Voraussetzungen geschaffen, um Licht in das Dunkel um die bakteriellen Pflanzenmitbewohner zu bringen.  

Zentrales Dogma widerlegt

#####1#####

Zusammen mit Kollegen aus der Schweiz haben die Kölner Forscher mehr als die Hälfte der auf Blättern und Wurzeln der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) vorkommenden Bakterien kultiviert. Die Wissenschaftler haben bis zu 65 Prozent der Bakterienarten des Wurzel-Mikrobioms und bis zu 54 Prozent der Arten des Blatt-Mikrobioms in Reinkultur genommen - laut einem alten Dogma der mikrobiellen Ökologie eigentlich ein Ding der Unmöglichkeit. Denn ein Grundsatz dieses Forschungszweiges lautete bisher: Weniger als 1 Prozent der Bakterien aus natürlichen Umweltproben sind kultivierbar.

„Das ist schlichtweg falsch“, sagt Studienleiter Schulze-Lefert, Direktor am Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforscher und Mitarbeiter bei CEPLAS, dem Exzellenzcluster für Pflanzenwissenschaften in Deutschland. „Wir wissen durch die systematische Nutzung von bakteriellen Nährmedien, dass unsere Stammkollektion den Großteil der robust in den Lebensgemeinschaften vertretenen Bakterienarten enthält und die taxonomische Vielfalt der natürlichen Blatt- und Wurzel-Mikrobiome sehr gut abbildet. Die Sammlung ist zwar nicht perfekt, aber ein sehr guter Ausgangspunkt für Rekonstruktionsexperimente“, so Schulze-Lefert.

Mikrobiome sind äußerst robust

Das erstaunliche Ergebnis der Studie: Das Artenprofil auf Blättern und Wurzel von Arabidopsis ähnelt sich sehr und scheint zudem recht robust zu sein. „Fast die Hälfte der Arten sind identisch“, erklärt Schulze-Lefert. Auf der Ebene der bakteriellen Familien und Klassen sahen die Forscher sogar gar keine Unterschiede mehr und das, obwohl die Proben für das Wurzel-Mikrobiom in Köln und die Proben für das Blatt-Mikrobiom in Zürich und Tübingen gesammelt worden sind. „Die Mikrobiome sind also in unterschiedlichen natürlichen Umwelten sehr robust“, so Schulze-Lefert weiter.

Biologische Leistungsfähigkeit des Blatt- und Wurzel-Mikrobioms

Die Wissenschaftler haben auch die Genome von 432 bakteriellen Isolaten sequenziert und kennen nun das komplette Erbgut jedes einzelnen Isolats ihrer Stammkollektion. Da die Aufgaben vieler Gene bekannt sind, lassen sich auf ihrer Basis die biologische Leistungsfähigkeit des Blatt- und Wurzel-Mikrobioms vergleichen. Die Vergleiche am Computer zeigten: Genauso ähnlich wie sich die Arten von Blatt- und Wurzelgenom sind, genauso ähnlich ist auch die Leistungsfähigkeit ihrer Genome. Aufgrund dieser Ähnlichkeit vermuten die Forscher einen gemeinsamen Ursprung von Wurzel- und Blattmikrobiom: den besonders artenreichen Boden.

#####2#####

Natürlich gibt es nicht nur Gemeinsamkeiten zwischen der bakteriellen Besiedlung von Wurzel und Blatt. Das lässt sich zum Beispiel an den Genen für den Stoffwechsel komplexer Kohlenhydrate ablesen. Von diesen benötigt das Wurzel-Mikrobiom weniger als das Blatt-Mikrobiom, weil die Wurzel mehr leicht verwertbaren Zucker ausscheidet als das Blatt.

Auch unter Laborbedingungen gleiche Mikrobiom-Zusammensetzung

Eine weitere, erstaunliche Entdeckung: Selbst in einer artifiziellen Umgebung sind die bakteriellen Lebensgemeinschaften, die sich an den Blättern und Wurzeln ansiedeln, den natürlichen Lebensgemeinschaften sehr ähnlich. Das zeigte sich in Versuchen, bei denen die Forscher mit gebranntem Ton als Bodenersatz, einem sterilen flüssigen Nährmedium ohne Kohlenstoffquelle und organischen Zusätzen und keimfreiem Arabidopsis-Saatgut eine künstliche Umwelt schufen. Die Arabidopsis Pflanzen züchteten die Forscher in transparenten sterilen Kammern, die zu verschiedenen Zeitpunkten mit genau definierten bakteriellen Lebensgemeinschaften beimpft wurden. Der Versuch zeigte, dass die Pflanzen dabei scheinbar zielstrebig vorgehen und nur einer ausgewählten Gemeinschaft von Mikroorganismen Zutritt gewähren.

Dieses artifizielle System können die Wissenschaftler mit dem jetzt vorhandenen Wissen und den entwickelten Technologien manipulieren, indem sie beispielsweise einzelne Bakterienarten oder Familien weglassen, die Umweltbedingungen gezielt verändern oder das System auf andere Weise gezielt stören. Daraus lässt sich ablesen, welche Funktionen die einzelnen Bakteriengruppen bezüglich der Nährstoffversorgung, dem Wachstum der Pflanze sowie bei Abwehrmechanismen von Krankheitserregern übernehmen.

Mit ihrer repräsentativen Kollektion von über vierhundert Bakterienstämmen in Reinkultur haben sie eine neue Ära der Umweltbeobachtung mit definierten Mikrobiomen eingeläutet. Dass sich daraus bahnbrechende Möglichkeiten ergeben, liegt auf der Hand. Durch das Mikrobiom gestärkte und geschützte Pflanzen sind ertragreicher, widerstandsfähiger und können gezielt andere Inhaltsstoffe produzieren. Und das Schönste daran: Es geschieht auf natürlichem und damit einem für die Kosten und die Umwelt günstigen Weg.