Die unsichtbare Macht

Wurzel-Mikroben und ihre Bedeutung für Pflanzen

27.09.2013 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Mikroorganismen tummeln sich nicht nur in der Pflanze, sondern auch im Boden um die Wurzeln. (Quelle: © iStockphoto.com/8ran)
Mikroorganismen tummeln sich nicht nur in der Pflanze, sondern auch im Boden um die Wurzeln. (Quelle: © iStockphoto.com/8ran)

Neben schädlichen Krankheitserregern tummeln sich auch viele förderliche Mikroben in und um Pflanzen, vor allem im wurzelnahen Boden. Mikroorganismen sind für das bloße Auge zwar unsichtbar, dennoch sollte man sie nicht unterschätzen, denn sie beeinflussen die Pflanzengesundheit, die Bodenqualität und somit auch wichtige Ökosystemfunktionen.

Mikroben sind uns zahlenmäßig weit überlegen, aber ihre Bedeutung für uns und unsere Umwelt ist noch immer zu wenig erforscht. Ähnlich wie wir gerade beginnen zu verstehen, wie wichtig Mikroorganismen für den Menschen sind, so wird auch in der Pflanzenforschung der Blick auf das Mikrobiom - die Gesamtheit aller Mikroorganismen eines Lebensraums - immer wichtiger. Denn Studien der vergangenen Jahre zeigen, dass sie eine weitaus größere Rolle für Pflanzen spielen, als man ihnen lange zusprach. Sie können die genetische Struktur der Pflanzen beeinflussen, ihre Gesundheit und auch auf die Interaktion mit anderen Pflanzen Auswirkungen haben.

Wurzelnaher Boden ist Lebensraum für Mikroben

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Das ist das Cover der September-ausgabe der Fachzeitschrift American Journal of Botany mit dem Spezial

Das ist das Cover der September-ausgabe der Fachzeitschrift American Journal of Botany mit dem Spezial "Rhizosphere Interactions: The Root Microbiome".

Quelle: © Daniela Maschek, Institute for Wood Biology and Wood Products, Göttingen

Die mikroskopisch kleinen Organismen lassen sich nicht nur in der Pflanze selbst finden (intra- und extrazellulär), sondern auch im Boden. Vor allem der Bereich in unmittelbarer Nähe zu den Wurzeln, die sogenannte Rhizosphäre, ist dabei bedeutend. Früher war der Pflanzen umgebende Boden eine „Black Box“ und Bakterien und Co. wurden oft nicht mit betrachtet. Heute konzentriert man sich auf ganzheitliche Ansätze, um auch Mikroorganismen in aktuelle Untersuchungen mit einzubeziehen. Die Fachzeitschrift „American Journal of Botany“ widmet dem Thema nun ein Spezial und veröffentlichte in der Septemberausgabe eine Reihe von Artikeln zum Mikrobiom der Rhizosphäre. Pflanzenforschung.de gibt einen Überblick über wichtige Erkenntnisse und neue Forschungsergebnisse zum Thema „Pflanze und Mikrobe“:   

Komplexe Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Mikroben

Die Interaktion zwischen dem Mikrobiom der Rhizosphäre und den Pflanzen ist dynamisch und kann von beiden Seiten bedingt und zu ihrem Vorteil beeinflusst werden. Das Wechselspiel wird durch Absonderungen (Exsudate) reguliert, die z.B. bestimmte Aminosäuren enthalten (vgl. Moe, 2013). Sowohl die Pflanzen als auch die Mikroben geben Signalmoleküle ab, wodurch eine Art chemische „Kommunikationsebene“ entsteht. Durch die Hilfe von Mikroorganismen können z.B. Nährstoffe nutzbar gemacht werden, die dann von den Pflanzen aufgenommen werden können.    

Erfolgreiches Team: Knöllchenbakterien und Pflanzen

Das wohl bekannteste Beispiel für einen Nährstoffaustausch ist die gegenseitig gewinnbringende (mutualistische) Symbiose von Knöllchenbakterien (Rhizobien) und Pflanzen, wie beispielsweise Leguminosen. Die Bodenbakterien werden durch abgegebene Wurzelstoffe angelockt und dringen in die Wurzelhaare der Pflanzen ein, welche nach der Infektion die charakteristischen Wurzelknöllchen ausbilden, denen die Bakterien ihren Namen verdanken. Knöllchenbakterien sind in der Lage elementaren Stickstoff aus der Luft zu binden und ihn für die Pflanze verfügbar zu machen. Die Bakterien können jedoch nur unter sauerstoffarmen Bedingungen Stickstoff fixieren, da das hierfür benötigte Enzym schon bei geringen Sauerstoffkonzentrationen inaktiviert wird. Die Pflanze schafft in den Wurzelknöllchen die benötigte Sauerstoffkonzentration und stellt den Bakterien zudem nötige Nährstoffe zur Verfügung. Dafür erhält die Pflanze von den Bakterien Stickstoff, den sie selbst nicht aus der Luft entnehmen kann. Dies ist z.B. für Leguminosen ein großer Gewinn, da sie dadurch auch auf stickstoffarmen Boden wachsen können und so einen klaren Standortvorteil haben.   

Wachstumsfördernde Mikroorganismen

Es gibt noch viele weitere Bakterien, die das Pflanzenwachstum und die Pflanzengesundheit fördern. So konnte man beispielsweise belegen, dass Bakterien der Rhizosphäre invasiven Pflanzenarten - also Pflanzen, die sich in einem Gebiet ausbreiten in dem sie nicht heimisch sind - helfen sich „einzuleben“ und dort besser zu wachsen (Rout et al., 2013). Bakterien können der Pflanze neben dem für das Wachstum essentiellen Stickstoff noch weitere Nährstoffe liefern und sogar Phytohormone oder deren Vorstufe bilden. Allgemein dient das komplexe Mikrobiom der Rhizosphäre als Reservoir für zusätzliche Gene auf die die Pflanzen bei Bedarf zugreifen können, quasi ein “zweites Genom” (vgl. Berendsen et al., 2012).

Spezielle Lebensgemeinschaft von Pflanze und Pilz

Pflanzen gehen nicht nur mit Bakterien spezielle Partnerschaften ein. Viel beachtet ist auch die Symbiose von Pflanzen und Pilzen, die Mykorrhiza. Hier unterscheidet man zwischen zwei Formen: Pilze, die in die pflanzlichen Zellen eindringen (Endomykorrhiza) und solche, die sich an den Wurzelenden anheften und zwar in die Wurzelrinde eindringen, aber nur extrazellulär ansiedeln (Ektomykorrhiza). Die Pilze versorgen die Pflanzen mit Wasser und mineralischen Nährstoffen, vor allem Stickstoff und Phosphat. Dafür erhält der Pilz Kohlenhydrate von der Wirtspflanze.

Die Rolle der Pflanzen

Pflanzen können das Mikrobiom der Rhizosphäre aktiv beeinflussen. Um ihre Wurzeln entwickeln sich z.B. ganz spezifische Mikrobiome. Selbst wenn unterschiedliche Pflanzenarten in demselben Boden herangezogen wurden, siedeln sich artspezifische Mikroben-Gemeinschaften an (vgl. Berendsen et al., 2012).

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Grenzzellen in der gallertartigen Substanz um die Wurzelenden einer Baumwollpflanze, 30 Sekunden nach dem Eintauchen in Wasser. (Quelle: © Gilberto Curlango-Rivera (University of Arizona, Tucson, Arizona), et al.).

Grenzzellen in der gallertartigen Substanz um die Wurzelenden einer Baumwollpflanze, 30 Sekunden nach dem Eintauchen in Wasser. (Quelle: © Gilberto Curlango-Rivera (University of Arizona, Tucson, Arizona), et al.).

Ein weiteres Beispiel ist die pflanzliche Reaktion auf Krankheitserreger (Pathogene) unter den Mikroorganismen, die der Pflanze schaden. Auch die pflanzlichen Abwehrstrategien beeinflussen das Mikrobiom der Rhizosphäre. So haben Forscher herausgefunden, dass Baumwollpflanzen an den Wurzel-Enden Grenzzellen ausbilden, die - vergleichbar mit der Funktion, der weißen Blutkörperchen im menschlichen Körper- Krankheitserreger einfangen (Curlango-Rivera et al., 2013). Dadurch, dass die Pathogene in den Grenzzellen gefangen werden, können sie die Wurzel nicht mehr angreifen – es hat sich also eine schützende Schicht um die Wurzelenden gebildet.

Mikroben und Bodenqualität

Das Mikrobiom der Rhizosphäre hat auch einen Einfluss auf die Bodenqualität. Sie reichern den Boden mit Nährstoffen an, zersetzen totes organisches Material und tragen selbst nach ihrem Tod noch zur Bodenfruchtbarkeit bei. Hierdurch beeinflussen sie viele Ökosystemfunktionen und sind somit ein wichtiger Bestandteil ihres Ökosystems.

Wie kann man dieses Potential weiter nutzen?

Wissenschaftler haben das Potential der kleinen, aber bedeutungsvollen Mikroorganismen erkannt. Einige wollen beispielsweise durch Bakterien gezielt die Produktivität von Pflanzen steigern. Forscher haben entdeckt, dass auch Endophyten - also Bakterien, die in Pflanzen leben - sich positiv auf das Wachstum von Pflanzen auswirken (vgl. Gaiero et al., 2013). So haben sie auch eine förderliche Wirkung auf Pappeln (Weckwerth et al., 2009). Da die Pappel eine schnellwachsende Baumart ist, wird sie als Energiepflanze genutzt. Hier sehen die Forscher einen Ansatzpunkt: „Weiter in die Zukunft gedacht, könnte man das Wachstum der Pflanzen mithilfe dieser endophytischen Bakterien steigern und somit die Basis für Biotreibstoff kultivieren“, betonte Prof. Dr. Wolfram Weckwerth, Leiter der Studie.  

Eine weitere interessante Überlegung ist es, gut an trockene Umgebungen angepasste Mikroorganismen einzusetzen, um Kulturpflanzen an anderen Orten zu unterstützen. In einer Studie (Kaplan et al., 2013) untersuchten die Forscher Mikroorganismen aus der Wüste Negev und entdeckten ihre auf Pflanzen förderlich wirkenden Eigenschaften. Ihre Hoffnung ist es, diese Bakterien und Pilze in anderen Regionen einzuführen, die durch Wetterextreme wie Trockenheit oder Hitze geplagt oder vom Klimawandel besonders betroffen sind, um dort das Wachstum der Pflanzen anzukurbeln.  

Weitere Forschung nötig

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass das Mikrobiom in und um Pflanzen und vor allem das der Rhizosphäre vielfältig auf Pflanzen einwirkt und die Mikroorganismen nicht nur sich selbst und die Pflanzen, sondern auch den Boden und damit auch das ganze Ökosystem beeinflussen. Die Analyse der dynamischen Interaktionen zwischen Mikroben und Pflanzen können dabei helfen, Pflanzen und komplexe Zusammenhänge im Ökosystem besser zu verstehen. Auch könnten die Erkenntnisse genutzt werden, um die Erträge unserer Nutzpflanzen zu sichern und sogar zu verbessern. Daher sollte das Mikrobiom um Pflanzen in Zukunft noch genauer erforscht werden.

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