Interaktion von Bakterien mit Pflanzen

Pflanzen interagieren mit unzähligen Mikroorganismen in ihrer Umgebung. Wie das genau geschieht, ist bisher nur bruchstückhaft bekannt. Forscher haben nun eine weitere Substanz identifiziert, die an der Modulation des Wurzelmikrobioms maßgeblich beteiligt ist.

Pflanzliche Mikrobengemeinschaften sind in ihrer Zusammensetzung ganz unterschiedlich. Welche Bakterien sich bei welcher Pflanze ansiedeln, wird weitgehend durch die Beschaffenheit des Bodens und durch die Pflanzengenotypen gesteuert. Selbst innerhalb einer Art können sich um die Pflanzenwurzeln unterschiedliche Bakteriengemeinschaften ansiedeln. Wissenschaftler der Universitäten Köln und Düsseldorf konnten aufzeigen, wie sich die Modellpflanze Arabidopsis mit Mikroorganismen „verständigt“.

Pflanzen können Mikrobengemeinschaften modulieren

Pflanzen kommunizieren mit „ihren“ Mikroorganismen durch Metaboliten in den Wurzelexsudaten. Einige dieser Kommunikationsmoleküle wurden in den letzten Jahren bereits identifiziert. Dazu gehört beispielsweise Scopoletin, ein Cumarin-Metabolit, der zur Mobilisierung von Eisen in die Rhizosphäre ausgeschieden wird und so die Mikrobiomzusammensetzung beeinflusst. Auch aromatische, organische Säuren spielen bei der Interaktion von Pflanzen und Mikroben eine Rolle. Je nachdem, ob die verschiedenen Bakterien in der Lage sind, bestimmte Säuren zu metabolisieren, wird ihr Wachstum durch die Anwesenheit der Säuren gehemmt oder gefördert.

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Mikrobielle Sulfatase als Maßeinheit

Um die Mechanismen zu verstehen, mit denen Pflanzen ihre Wurzel-Mikrobiota formen, haben die Forscher die Aktivität der mikrobiellen Sulfatase als quantitative Maßeinheit verwendet. Bakterien und Pilze nutzen das Enzym Sulfatase, um Sulfat von Sulfatestern abzuspalten. Auf diese Weise mineralisieren sie den organischen Schwefel und stellen ihn der Pflanze zur Verfügung. Die Aktivität der Sulfatase gilt daher als Maß für die biologische Aktivität eines Bodens.

Camelexin in Wurzeln entdeckt

Die Wissenschaftler bestimmten die Sulfataseaktivität im Rhizosphärenboden von 172 Arabidopsis-Spezies und führten eine genomweite Assoziationsstudie bei den Pflanzen durch. Ein Gen, das nach diesen Untersuchungen mit der Variation der mikrobiellen Sulfatase assoziiert war, ist CYP71A27. Es kodiert für ein bisher uncharakterisiertes Cytochrom P450. Bei näherer Betrachtung entpuppte sich das in den Wurzeln aktive Gen CYP71A27 als eine bisher unbekannte Komponente des Camalexin-Syntheseweges.

Camelexin kommt natürlicherweise in Pflanzen vor und ist an der Abwehr gegen Krankheitserreger beteiligt. Arabidopsis scheidet den Stoff als Reaktion auf Krankheitserreger aus den Wurzeln aus. Bisher wurde Camalexin hauptsächlich mit der Abwehr von nekrotrophischen Pilzerregern wie Botrytis cinerea und Alternaria brassicicicola in Verbindung gebracht. Die Forschungsaktivitäten konzentrierten sich dabei auf die Blätter der Pflanzen. Camelexin kommt aber auch in den Wurzeln von Arabidopsis vor. Da der Metabolit auf manche Bakterien antibiotisch wirkt, kann er so mikrobielle Gemeinschaften modifizieren.

Camelexin-Mutanten klären Rolle auf

Legten die Wissenschaftler das CYP71A27-Gen in den Pflanzen still, beobachteten sie zwei verschiedene Effekte: Ohne aktives CYP71A27 veränderten sich sowohl die Aktivität der Mikroben-Sulfatase im Boden als auch die wachstumsfördernden Eigenschaften mehrerer Bakterienstämme auf die Pflanzen. Als die Wissenschaftler den Stoff Camelexin auf die Bakterien applizierten, verschwanden die beobachteten Effekte wieder. Die Forscher gehen daher davon aus, dass Camelexin eine wichtige Rolle in der pflanzlichen Interaktion mit nützlichen Bakterien in der Rhizosphäre einnimmt.

Diese Forschungsergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der Mechanismen bei, mit denen Pflanzen ihr assoziiertes Mikrobiom formen. Mikroorganismen beeinflussen die Pflanzengesundheit, die Bodenqualität und somit auch wichtige Ökosystemfunktionen.