Kleiner „Wasserträger“ mit großer Wirkung

Wie kann man Pflanzen fit gegen Dürren machen? Diese Frage stellt sich im Zuge des Klimawandels immer drängender. Eine Möglichkeit ist die forcierte Besiedlung von Pflanzenwurzeln mit wachstumsfördernden Bakterien (sogenannten Plant Growth-Promoting Bacteria oder PGPBs), die Pflanzen bei Trockenstress unterstützen können. Eine internationale Forscher:innengruppe hat in einer neuen Studie ein geeignetes Bakterium isoliert und genauer untersucht.

Wachstumsfördernde Bakterien

PGPBs sind natürlich im Boden vorkommende Mikroorganismen, die in die Wurzel eindringen und mit den Pflanzen eine symbiotische Verbindung eingehen. Sie unterstützen Pflanzen beim Wachstum, indem sie Nährstoffe wie etwa Stickstoff pflanzenverfügbar machen, wie die Knöllchenbakterien. Sie helfen Pflanzen auch bei der Besiedlung von schwermetall- und salzbelasteten Böden und unterstützen sie in trockenen Gebieten bei Wassermangel. Das macht sie interessant für Anpassungen an Trockenstress. Allerdings ist noch wenig über die dahinterstehenden Mechanismen bekannt.

Für ihre Versuche isolierten die Forscher:innen den Stamm SA190 des Bakteriums Pseudomonas argentinensis aus dem in der Wüste beheimateten Strauch Indigofera argentea und impften damit die Wurzeln der Modellpflanze Acker-Schmalwand (Arabidopsis thaliana). Anschließende Wachstumsversuche unter dreiwöchigem Wassermangel zeigten, dass nur zehn Prozent der mit P. argentinensis besiedelten Pflanzen von starkem Trockenstress betroffen waren, in der Kontrollgruppe dagegen 70 Prozent. Eine Woche nach einer erneuten Wässerung hatten sich alle mit P. argentinensis besiedelten Pflanzen erholt, aber nur 50 Prozent der nicht besiedelten. Untersuchungen der Wurzelarchitektur zeigten, dass besiedelte Arabidopsis-Pflanzen auch unter Trockenstress ähnlich lange Hauptwurzeln bildeten wie unter normalen Bedingungen. Auch ein Feinwurzelsystem entwickelte sich. Bei den Kontrollpflanzen hingegen war das Wurzelwachstum beschränkt: Sie besaßen nur eine kurze Hauptwurzel und kaum Feinwurzeln. Bei weiteren Versuchen mit der Saat-Luzerne (Medicago sativa) hatten besiedelte Pflanzen nach zehn Tagen unter Trockenstress einen um 37 Prozent höheren Biomassezuwachs als die unbesiedelte Kontrollgruppe.

Aquaporine als Retter

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Die Forscher:innen sind sich sicher, dass die Besiedelung mit P. argentinensis auch Kulturpflanzen zugutekommen könnte. Um die zugrundeliegenden Mechanismen zu identifizieren, untersuchten sie zunächst das Transkriptom der Wurzelzellen von mit P. argentinensis besiedelten Arabidopsis-Pflanzen. Sie entdeckten, dass vor allem Gene hochreguliert waren, die mit dem Abscisinsäure-Signalweg verbunden waren. Die Abscisinsäure (Abscisic acid, ABA) reguliert unter anderem den Stomataschluss bei Trockenheit und den Transport von Wasser durch die Zellmembran durch sogenannte Aquaporine. Die Forscher:innen entdeckten, dass bei besiedelten Pflanzen unter Trockenstress viele der für Aquaporine codierenden Gene hochreguliert waren.

Dagegen war bei besiedelten Pflanzen, bei denen der Abscisinsäure-Signalweg durch Mutationen künstlich beeinträchtigt war, hier keine verstärkte Genaktivität zu beobachten. Auch die ausgeprägte Wurzelarchitektur der mit P. argentinensis besiedelten Pflanzen war bei den Mutanten nicht zu beobachten. Die Forscher:innen schlossen daraus, dass der Abscisinsäure-Signalweg eine wichtige Rolle bei der Umsetzung der Trockenstress-Anpassungen bei mit P. argentinensis besiedelten Pflanzen spielt.

Des Weiteren entdeckten die Forscher:innen bei besiedelten Pflanzen unter Trockenstress den epigenetischen Marker H3K4me3 an den hochregulierten Genen - in der Nähe des Transkriptionsstartpunktes (TSP). Das zeigt, dass die betroffenen Gene bei Bedarf (Trockenstress) gezielt hochreguliert wurden, so die Forscher:innen. Dazu passe die Beobachtung, dass sich die besiedelten Pflanzen unter normalen Bedingungen in ihrem Wachstum nicht von der Kontrollgruppe unterschieden.

Bessere Photosyntheseleistung, mehr Ertrag

Weitere Unterschiede fanden die Forscher:innen bei den physiologischen Merkmalen der verschiedenen Arabidopsis-Versuchsgruppen unter Trockenstress. Mit P. argentinensis besiedelte Pflanzen hatten bei Wassermangel mehr geöffnete Stomata, einen höheren Wassergehalt in den Blättern und eine höhere Transpirationsrate. Das alles ermöglicht eine effektivere Photosynthese und schnelleres Wachstum. Das drückt sich in der Wassernutzungseffizienz (Water Use Efficiency, WUE) aus, die bei den besiedelten Pflanzen unter Trockenstress deutlich höher lag als bei den unbesiedelten Pflanzen.

Die Ergebnisse zeigen eine potentiell einfache und kostengünstige Möglichkeit, Nutzpflanzen fit für das Wachstum unter trockenen Bedingungen zu machen. Die erforderlichen Bakterien können problemlos im Labor gezogen und die Samen vor der Aussaat mit den Mikroben umhüllt werden, betonen die Forscher:innen. Da die erforderlichen Gene erst bei Trockenstress aktiviert werden und die Pflanzen unter normalen Bedingungen vergleichbare Biomassezuwächse zeigen wie nicht besiedelte Pflanzen, seien unter normalen Bedingungen auch keine Ertragseinbußen zu befürchten.

Quelle:
Alwutayd, K. M. et al (2023): Microbe-induced drought tolerance by ABA-mediated root architecture and epigenetic reprogramming. In: EMBO reports 2023, dx.doi.org/10.15252/embr.202256754

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Titelbild: Die Wüste als Problemlöser: Hilfreiche Wurzelbakterien unterstützen Wüstenpflanzen bei Trockenstress und können auch Nutzpflanzen helfen. (Bildquelle: © TranThangNhat / Pixabay)