Licht im Wurzel-Dschungel

Forscher haben die Verbreitung von 23 typischen Rhizobakterien-Genen im Stamm der Proteobacteria untersucht

17.09.2014 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Wurzel mit Knöllchenbakterien: Die Bakterien versorgen die Pflanze mit Stickstoff, die Pflanze bietet ihnen das passende Umfeld. (Bildquelle: © Terraprima/wikimedia.org; CC BY-SA 3.0)
Wurzel mit Knöllchenbakterien: Die Bakterien versorgen die Pflanze mit Stickstoff, die Pflanze bietet ihnen das passende Umfeld. (Bildquelle: © Terraprima/wikimedia.org; CC BY-SA 3.0)

Die Gene, mit denen Rhizobakterien das Pflanzenwachstum fördern, sind im Bakterienreich weit verbreitet.

Rhizobakterien sind echte Pflanzenfreunde: Sie sorgen für eine gute Nährstoffversorgung, ein besseres Wachstum, erhöhte Widerstandskraft in Stress-Situationen. Diese Symbiosen sind seit Jahren Gegenstand intensiver Forschung. Trotzdem ist immer noch nicht klar: Wie definiert man ein „pflanzenfreundliches“ Rhizobakterium? Welche Eigenschaften machen es aus? Gibt es noch mehr, bisher unbekannte Rhizobakterien mit dem Potential zur Pflanzenpflege? Diesen Fragen gingen Forscher in einer neuen Studie nach.

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Lupinen werden oft zur Bodenverbesserung angebaut. Grund ist ihre Symbiose mit Rhizobakterien, die zusätzlich Stickstoff in den Boden einbringen.

Lupinen werden oft zur Bodenverbesserung angebaut. Grund ist ihre Symbiose mit Rhizobakterien, die zusätzlich Stickstoff in den Boden einbringen.

Bildquelle: © Heidi Schäfer/ wikimedia.org/ CC BY-SA 3.0

Tolle Knollen

Als Rhizobakterien im engeren Sinne werden Bakterienarten bezeichnet, die Pflanzen in ihrem Wachstum unterstützen. Sie werden oft als „Plant-Growth-Promoting Rhizobacteria“ (PGPR) bezeichnet. Sie kommen in verschiedenen Bakterien-Klassen vor.

Rhizobakterien, zu denen auch die bekannten Knöllchenbakterien (Rhizobien) gehören, sind in der Lage, mit verschiedenen Pflanzenarten eine Symbiose einzugehen, indem sie beispielsweise in Wurzelzellen eindringen. Die Wurzelausscheidungen (Exsudate) regen die Bakterien dazu an, kleine weiße Knöllchen an den Wurzeln der Pflanzen zu bilden. Der Kontakt mit der Pflanze befähigt die Bakterien, molekularen Stickstoff aus der Luft zu binden, den sie anschließend der Pflanze zur Verfügung stellen. Dafür bietet die Pflanze den Rhizobakterien als „Arbeitsraum“ einen geeigneten Ort, an dem die sauerstoff-empfindliche Nitrogenase aus molekularem Stickstoff pflanzenverfügbaren Ammoniak (NH3) produzieren kann. So kommt die Pflanze an lebensnotwendigen Stickstoff und kann auch stickstoffarme Areale besiedeln, wobei sie einen Standortvorteil gegenüber anderen Pflanzen hat. Die Rhizobakterien werden im Gegenzug von der Pflanze mit Produkten aus der Photosynthese versorgt. Aber auch andere positive Effekte können sich für die Pflanze je nach Bakterienart ergeben, zum Beispiel die Anregung des Wurzelwachstums und verbesserte Abwehr von Pathogenen.

Definition gesucht

Das Problem mit den Rhizobakterien ist Folgendes: Es ist nicht klar definiert, wann ein Bakterium ein „pflanzenwachstumförderndes“ (PGPR-) Bakterium ist. Rhizobakterien können im Inneren der Wurzel sitzen, aber auch außerhalb im Boden. Die beteiligten Gene können direkt auf die Pflanze wirken, wie etwa bei der Stickstoff-Fixierung, oder sie wirken indirekt, indem sie beispielsweise wichtige Zellfunktionen unterstützen. In ihrer neuen Studie untersuchten Forscher deshalb die Verteilung von 23 bakteriellen Genen, die bekanntermaßen für Pflanzen einen Vorteil bewirken können. Sie untersuchten dafür 304 verschiedene Bakterienarten aus den Klassen der Alpha-, Beta- und Gamma-Proteobacteria, nur 25 von ihnen waren typische PGPR-Bakterien. Dabei zeigte sich, dass die 23 ausgewählten Gene auch in verschiedensten anderen Bakterienarten vorkamen, darunter auch pflanzenpathogene und tierpathogene Bakterien. Außerdem stellten sie fest, dass keins der bekannten PGPR-Bakterien alle 23 untersuchten Gene in seinem Genom hatte.

Damit zeigte sich, dass Rhizobakterien, die Pflanzen in ihrem Wachstum unterstützen, keinen gemeinsamen Pool von typischen Genen besitzen. Trotzdem konnten die Forscher bestimmte Gen-Kombinationen nachweisen, die in verschiedenen Klassen auftraten. Das weist darauf hin, dass sich die Fähigkeit, mit Pflanzen eine Symbiose einzugehen, unabhängig voneinander in mehreren Bakterien-Klassen entwickelt hat und dass diese Bakterienarten eine für sie typische Auswahl an Genen dafür zur Verfügung haben.

Des Weiteren vermuten die Forscher, dass eine entsprechende Selektion auf die bestimmten Gene bei den Bakterienarten erst in Pflanzennähe stattfindet, da pflanzen-assoziierte Bakterienarten die meisten der 23 ausgewählten Gene aufwiesen, tierpathogene Bakterienarten enthielten hingegen die wenigsten. Daraus schlossen die Forscher, dass diese Gene von den Bakterien, die im Pflanzenumfeld leben, bevorzugt selektiert werden, während tierpathogene Bakterien diese Gene eher aussortieren, da sie ihnen nicht viel nützen.

Wichtige Forschung

Diese Daten geben eine Übersicht in die Entstehung der pflanzenfördernden Eigenschaften von PGPR-Bakterien und über die Verteilung der beteiligten Gene innerhalb verschiedener Bakterienklassen. Die Forscher betonen, dass noch nicht alle Bakteriengene bekannt sind, die eine positive Wirkung auf das Pflanzenwachstum haben und dass bisher nur in bestimmten Bakterienstämmen nach ihnen gesucht wird. Darum muss hier vermehrt Forschungsarbeit geleistet werden – umso mehr, als Rhizobakterien aktiv zu verbessertem Wachstum, zu einer Verbesserung des Bodens und auch zum Pflanzenschutz beitragen können. Die Forscher weisen darauf hin, dass dieses Thema auch weiterhin großer Aufmerksamkeit und Forschung bedarf.

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