Neue Stellschraube für widerstandsfähigere Pflanzen

Pflanzen können aktiv beeinflussen, welche Bakterienfamilien sich in der unmittelbaren Umgebung ihrer Wurzeln ansiedeln. Dabei spielt Salizylsäure, ein Pflanzenhormon, offenbar eine wichtige Rolle.

Pflanzen wachsen im Boden und der ist voll von unzähligen Mikroben. In 0,3 Kubikmeter (das entspricht einer Fläche von 1x1 Meter und 30 cm Tiefe) leben etwa 1,6 Billionen Lebewesen. Viele dieser Bakterien und anderer Kleinstlebewesen tauschen Nährstoffe mit den pflanzlichen Wurzeln aus. Sie zersetzen tote Organismen und liefern so den Pflanzen neue Nährstoffe zum Wachsen. Im Gegenzug profitieren Bakterien von den Zuckern, die die Pflanzen über ihre Wurzeln ausscheiden. Die kleinen Helfer an der Wurzel können Pflanzen außerdem zu einer höheren Toleranz bei schwierigen Umweltbedingungen wie Hitze, Trockenheit und sauren Böden verhelfen.

Doch das Ökosystem in der unmittelbaren Umgebung einer pflanzlichen Wurzel ist komplex. Nicht alle Mikroben sind nützlich für die Pflanzen – manche können ihr sogar gefährlich werden. Daher muss die Pflanze die zahlreichen, hilfreichen Bakterien von den Pathogenen unterscheiden. Ob und falls ja, wie Pflanzen die Zusammensetzung ihres Wurzelraum-Mikrobioms beeinflussen können, war bisher nur bruchstückhaft bekannt.

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Welternährung mit Hilfe von Mikroben sichern

Wie der Mensch besitzen auch Pflanzen ein Immunsystem, mit dessen Hilfe sie sich gegen pathogene Bakterien zur Wehr setzen können. Dies geschieht in erster Linie durch die Aktivierung von Phytohormonen, die verschiedene Abwehrmechanismen regulieren. In einer aktuellen Studie haben Wissenschaftler untersucht, wie drei verschiedene Phytohormone die Zusammensetzung des Wurzelraum-Mikrobioms der Modellpflanze Arabidopsis thaliana beeinflussen können. Ziel des Forschungsprojektes war es, zu verstehen, wie sich Ernteerträge mit Hilfe von mikrobiellen Partnern stabilisieren und gegebenenfalls sogar steigern lassen. Denn bereits im Jahr 2050 sollen nahezu 10 Milliarden Menschen auf der Erde leben. In den kommenden Jahren werden die Nahrungsmittelsicherheit und die Bereitstellung von pflanzlicher Biomasse zur Energiegewinnung zu immer brisanteren Themen heranreifen.

Salizylsäure essentiell für Zusammensetzung des Wurzelraum-Mikrobioms

Um besser zu verstehen, wie Phytohormone das Wurzelraum-Mikrobiom beeinflussen, verglichen die Wissenschaftler mittels DNA-Sequenzierungen das Mikrobiom um den Wurzelbereich von Wild-Typ Arabidopsis Pflanzen mit dem von Arabidopsis Mutanten, denen mindestens eines der folgenden Phytohormone fehlte: Salizylsäure, Jasmonsäure oder Ethylen. Frühere Studien hatten bereits Hinweise geliefert, dass sich die Zusammensetzung des Wurzelraum-Mikrobioms nach einer Infektion verändern kann.

Und in der Tat: Je nachdem, welches der drei Hormone vorhanden war, änderte sich das relative Vorkommen der Firmicutes, Proteobacteria und Actinobacteria unmittelbar um die Wurzeln herum. So beobachteten die Forscher beispielsweise, dass weniger Actinobacteria um jene Pflanzenwurzeln vorkamen, die im Vergleich zu Wildtyp-Pflanzen zu viel oder zu wenig Salizylsäure produzierten. Die Versuche der Wissenschaftler zeigten, dass Salizylsäure und die Fähigkeit, diese herzustellen, von essentieller Bedeutung sind, wenn es darum geht, die Zusammensetzung des Wurzelraum-Mikrobioms zu beeinflussen.

Salizylsäure: je nach Ort unterschiedliche Funktion

Auch in den Trieben und Blättern von Arabidopsis thaliana spielt die Salizylsäure eine wichtige Rolle. Dort ist sie an der pflanzlichen Abwehr beteiligt, indem sie untern anderem dafür sorgt, dass die Pflanze beim Kontakt mit Pathogenen antimikrobielle Stoffe produziert. Im Wurzelbereich scheint die Salizylsäure jedoch eine andere Aufgabe zu übernehmen. Dort wirkt sie auf manche Bakterien wachstumsfördernd, auf andere wachstumshemmend.

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Test unter kontrollierten Laborbedingungen

Aufbauend auf diese Erkenntnisse untersuchten die Wissenschaftler unter Laborbedingungen, wie die ausgewählten Phytohormone das Wurzelraum-Mikrobiom beeinflussen. Dazu übertrugen sie Bakterienisolate aus dem Wurzelraum-Mikrobiom wild lebender Pflanzen auf sterile Wurzeln, die sie in einem sterilen, Boden-ähnlichen Substrat wachsen ließen. Diese synthetischen Bakterienkolonien beobachteten die Forscher über einen Zeitraum von acht Wochen. Sogar in dieser kontrollierten Umgebung und in der Abwesenheit von Pathogenen konnten die Wissenschaftler beobachten, wie das pflanzliche Immunsystem über Salizylsäure die Kolonisierung von Wurzel-assoziierten Bakterien beeinflusst. 

Weitere Forschung nötig

Dass manche Bodenbakterien sehr nützlich für Pflanzen sind, steht außer Frage. Dank der aktuellen Studie gibt es nun erstmals Ansatzpunkte und mögliche Stellschrauben, mit denen sich diese Nützlinge möglicherweise gezielt rekrutieren lassen. Die Pflanzen einfach mit Salizylsäure zu besprühen, wird jedoch nicht ausreichen. Diese Maßnahme verleiht Pflanzen zwar mehr Widerstandskraft gegen bestimmte Pathogene, kurbelt aber das Immunsystem der Pflanze dauerhaft an, was wiederum wertvolle Energiereserven der Pflanze verpuffen lässt. In zukünftigen Forschungsstudien muss daher genau geklärt werden, wie genau die Salizylsäure die vorteilhafte Balance der Bakterienfamilien an der Wurzel organisiert.