Artgerechte Fütterung

Pflanzen kultivieren eigene Bodenbakterien

20.05.2019 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) steuert mit bestimmten Metaboliten die mikrobielle Gemeinschaft in ihrem Wurzelraum. (Bildequelle: © Phil Robinson)
Die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) steuert mit bestimmten Metaboliten die mikrobielle Gemeinschaft in ihrem Wurzelraum. (Bildequelle: © Phil Robinson)

Während des Wurzelmetabolismus entstehen von Art zu Art unterschiedliche Produkte. Mit ihrer Hilfe passen Pflanzen das Mikrobiom in der Rhizosphäre an ihre Bedürfnisse an.

Pflanzen investieren rund ein Fünftel des aus der Photosynthese gewonnenen Kohlenstoffes in Wurzelmetabolite. Deren Zusammensetzung unterscheidet sich dabei von Pflanzenart zu Pflanzenart. Ähnlich individuell ist auch die Zusammensetzung der Mikroorganismen, die im Wurzelraum leben. Manche begünstigen das Wachstum der Pflanze, andere schädigen sie. Pflanzenforscher haben nun Belege dafür gefunden, wie Wurzelmetabolite die Zusammensetzung des Wurzelmikrobioms zugunsten der Pflanze beeinflussen.

Hinweis auf starken Selektionsdruck

In ihrer Studie haben sich die Forscher mit Triterpenen befasst. Diese spezialisierten Pflanzenmetabolite bilden mit mehr als 20.000 Mitgliedern eine der größten und strukturell vielseitigsten Familien pflanzlicher Produkte. Sie fungieren als Signalmoleküle, dienen aber auch der Abwehr und wirken antimikrobiell.

In der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) gibt es vier Cluster von Genen, die für Triterpene kodieren, die in der Wurzel exprimiert werden. Derartige Cluster sind oft das Resultat eines starken Selektionsdrucks in der Evolution und produzieren häufig wichtig Moleküle für die Pflanze. So gibt es bei der Ackerschmalwand Hinweise darauf, dass die Produkte einiger dieser Cluster an der Abwehr von Wurzelpathogenen beteiligt sind. Die Pflanzenforscher wollten nun wissen, inwieweit diese Triterpene das Wurzelmikrobiom beeinflussen.

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Quelle: © Jörg Abendroth / MPl für Entwicklungsbiologie

Zuerst klärten die Pflanzenforscher die zuvor unbekannten Biosynthesewege der unterschiedlichen Triterpene in den Wurzeln auf. Neben den bekannten Clustern spielen dabei auch einige verstreute Gene eine Rolle, die für promiske Acyltransferasen oder Alkoholdehydrogenasen kodieren, also weniger selektive und spezifische Enzyme. Potenziell kann dieses Gennetzwerk mehr als 50 bislang unbekannte Wurzelmetabolite erzeugen – angesichts der rund 300 nichtflüchtigen Wurzelmetabolite, die die Forscher nachweisen konnten, eine eindrucksvolle Anzahl.

Ohne Triterpene ändert sich das Wurzelmikrobiom

Erzeugten die Wissenschaftler Mutanten der Ackerschmalwand, in der die Biosynthesewege der Triterpene unterbrochen waren, entwickelten die Pflanzen ein Wurzelmikrobiom, das sich in den Arten und deren Häufigkeiten klar vom Wildtyp unterschied. Weitere Tests bestätigten den Einfluss der Triterpene: Zunächst reinigten die Forscher die Triterpene aus den Wurzeln auf oder synthetisierten sie. Dann testeten sie in vitro, wie sich dieser Molekülcocktail auf 19 taxonomisch teils weit voneinander entfernte Bakterienstämme auswirkte, die aus dem Wurzelraum der Ackerschmalwand isoliert worden waren. Sie fanden sowohl positive als auch negative Effekte auf das Wachstum einzelner Stämme.

So inhibierten die Metabolite z. B. das Wachstum eines Arthrobacter-Stammes, während Arenimonas sein Wachstum beschleunigte. Bei einigen Bakterien war der Zusammenhang besonders deutlich: Ein Pseudomonas-Stamm konnte bestimmte Triterpene wie Thalianylfettsäureester metabolisieren und die Abbauprodukte als Kohlenstoffquelle für die Vermehrung nutzen.

Triterpene erklären Unterschiede zwischen Pflanzenarten

Zusätzlich verglichen die Pflanzenforscher das Wurzelmikrobiom der Ackerschmalwand mit den Wurzelmikrobiomen der weit entfernten Arten Reis und Weizen, die die Triterpene Thalianin, Thalianylfettsäurester und Arabidin nicht bilden. Dabei bestätigte sich, dass die Triterpene wesentlich dazu beitragen, ein Mikrobiom zu etablieren, das spezifisch für die Ackerschmalwand ist: Während alle drei Pflanzenarten ihr Wachstum mit Mikrobiota begannen, die sich zu zwei Dritteln überschnitten, reicherten sich im Laufe der Zeit rund 500 Arabidopsis-spezifische operationale taxonomische Einheiten beim A.-thaliana-Wildtyp an. Bei den Mutanten mit gestörtem Triterpen-Netzwerk waren ein Drittel dieser Mikroorganismen kaum vorhanden.

„Wir konnten zeigen, dass A. thaliana eine Reihe spezialisierter Triterpene produziert, die die Entstehung und Erhaltung eines spezifischen Mikrobioms lenken“, resümieren die Autoren der Studie. So könne die Pflanze die mikrobielle Gemeinschaft in ihrem Wurzelraum nach ihren eigenen Bedürfnissen maßschneidern. „Wir vermuten, dass die metabolische Diversifikation innerhalb des Pflanzenreiches die Grundlage bildet, das Mikrobiom an dessen Wirt anzupassen, und dass sich dadurch zumindest teilweise die Existenz eines pflanzenspezifischen Metabolismus‘ erklärt.“

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