Mikrobiome unter Klimawandelstress?

Wie unterscheiden sich die Mikrobiome in den Wurzeln und im wurzelnahen Boden und was verursacht diese Varianz? Auf diesen Fragen hat ein europäisches Forscherteam unter Federführung des Kölner Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung jetzt Antworten gegeben. Für Eukaryoten und Prokaryoten fallen sie unterschiedlich aus. Aber das Klima und damit auch Klimaveränderungen scheinen ein wichtiger Faktor zu sein.

Die Mikroorganismen in den Wurzeln und im wurzelnahen Erdreich haben Einfluss auf die Fitness einer Pflanze. Die Interaktion zwischen Pflanzen und Mikroorganismen führt dazu, dass sich diese Mikrobiota deutlich von denen im umliegenden Erdreich unterscheiden. Doch auch regional und von Jahr zu Jahr variiert die Zusammensetzung der Mikroorganismen in der Rhizosphäre und der Rhizoplane. Pflanzenforscher des Kölner Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung haben jetzt gemeinsam mit europäischen Kollegen untersucht, welche Anteile daran jeweils die Bodenbeschaffenheit, das Klima und die genetische Variabilität der Wirtspflanze haben.

17 Standorte von Nord- bis Südeuropa

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Die Wissenschaftler haben dazu in drei aufeinanderfolgenden Jahren an 17 Standorten in Nord-, Mittel- und Südeuropa Populationen der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana analysiert. Für jeden Standort hat das Team mit etablierten biochemischen Methoden ermittelt, wie sich die mikrobiellen Gemeinschaften innerhalb der Wurzeln, in der Rhizoplane, in der Rhizosphäre und in umliegendem Boden zusammensetzen.

Falls die Pflanzen unabhängig von den jeweiligen Standorten die mikrobiellen Zusammensetzungen im Wurzelraum mitbestimmen, müsste man eine Selektion beobachten, die vom umliegenden Erdreich bis in die Wurzel hinein immer stärker wird. Genau das fanden die Forscher sowohl für Bakterien wie auch für Pilze und Eipilze. Der Effekt bei Bakterien war hier am stärksten ausgeprägt. Für diese fanden sich auch die größten Gemeinsamkeiten für gleiche Wurzelkompartimente, wohingegen die Gemeinsamkeiten in Rhizosphäre und Boden stärker vom Standort abhingen. Für Eukaryoten ergaben sich keine klaren Muster im unmittelbaren Wurzelkontakt, dafür war deren Variabilität umso deutlicher vom Standort abhängig.

Wenige bakterielle Taxa prägen die Rhizosphäre

Darüber hinaus zeigte sich, dass bestimmte Taxa wesentlichen Anteil an der Besiedelung der Wurzeln haben. Bei Bakterien sind dies Taxa aus der Klasse der Beta- und Gammaproteobacteria, bei den Pilzen aus den Leotiomycetes und den Dothideomycetes sowie bei den Eipilzen aus der Ordnung Phytiales.

13 bakterielle operationale taxonomische Einheiten (OTU) konnten in der Wurzelendosphäre aller Standorte nachgewiesen werden. Ihre Mitglieder stellen zusammen 38 Prozent der dortigen Bakterien. Diese OTUs erwiesen sich als genetisch ausgesprochen heterogen, wenngleich einzelne Stämme jeweils dominierten. Heraus stachen in ihrer Häufigkeit Pseudomonas chlororaphis und Pseudomonas simiae.

Auch 14 OTUs filamentöser Eukaryoten waren über viele Standorte in den Wurzeln verbreitet, ohne dort jedoch besonders angereichert zu sein. Folglich, so die Forscher, dürfte eine kleine Zahl geografisch weit verbreiteter Bakterienarten, die in hoher Zahl Wurzeln besiedeln, die europaweite Konvergenz des Wurzelmikrobioms verursachen – eine erstaunliche Beobachtung angesichts der großen räumlichen Entfernungen und vielfältigen Umweltbedingungen.

Parallelen zwischen wenig verwandten Gräsern

Eine hohe Übereinstimmung der Mikrobiomzusammensetzung beobachteten die Forscher obendrein für 16 nur entfernt verwandte Gräserarten, die an unterschiedlichen Standorten in direkter Nachbarschaft der untersuchten Ackerschmalwandpflanzen wuchsen. Standortübergreifend konnten alle 13 bei der Ackerschmalwand maßgeblichen bakteriellen OTUs auch in den Wurzeln dieser Gräser nachgewiesen werden, wo sie 45 Prozent der Bakterien ausmachten. Demnach scheinen die wenigen Bakterienarten, die das Wurzelmikrobiom der Ackerschmalwand prägen, auch bei anderen Pflanzen quer durch Europa maßgeblich zu sein.

Als wichtige Faktoren für die dennoch vorhandene zeitliche und räumliche Variabilität der Mikrobiome im Wurzelraum identifizierten die Forscher den Eisengehalt des Bodens, die mittlere Lufttemperatur und die mittlere relative Feuchtigkeit. Der Einfluss auf bakterielle Gemeinschaften war größer als auf eukaryotische. Innerhalb der Wurzeln selbst erwies sich für Bakterien der verfügbare Phosphor als entscheidend und für Pilze und Eipilze das Element Mangan.

Interessanterweise waren die Unterschiede zwischen Proben aus zwei verschiedenen Versuchsjahren größer als zwischen jenen von Wirtspflanzen, die evolutionär seit über 140 Millionen Jahre voneinander getrennt waren. Unter dem Strich dokumentierten die Forscher allerdings größere Einflüsse auf die Mikrobiome durch Umweltfaktoren der Standorte als durch die unterschiedlichen Jahre der Probennahme.

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Standortanpassung bewirkt klare Fitnessvorteile

Um die Einflussfaktoren Boden, Klima und Wirtsgenom stärker zu entwirren, pflanzten die Wissenschaftler Populationen einer in Schweden beheimateten Ackerschmalwand samt heimatlichen Wurzelballen in italienischen Boden und umgekehrt. Dabei zeigte sich, dass die Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaften im Wurzelraum hauptsächlich vom Boden diktiert wird, wohingegen die eukaryotischen Lebensgemeinschaften stärker vom Standort geprägt werden. Die genetischen Eigenschaften einer Wirtspflanze sind nach den Ergebnissen hingegen nur für 2,4 Prozent der Variation im Mikrobiom des Wurzelraumes verantwortlich.

Innerhalb der Wurzeln erwies sich das Vorkommen der verbreiteten bakteriellen OTUs als relativ stabil. Dabei zeigten sich Unterschiede zwischen den Arten. Konnten Bodenfaktoren Veränderungen beim Vorkommen von Actinobacteria praktisch vollständig erklären, so hatten für Alpha-, Beta- und Gammaproteobacteria Boden- und Standorteigenschaften gleichermaßen großen Einfluss. Vergleichbare Beobachtungen machten die Forscher für Eukaryoten, die dabei weit stärker als Bakterien von Boden und/oder Standortfaktoren wie dem Klima abhingen.

Auswertungen der Fitness bestätigten den Heimvorteil regional angepasster Pflanzen: Der italienischen Genotyp zeigte in italienischer Erde am italienischen Standort einen 58-mal so hohen Reproduktionserfolg wie der schwedische. In schwedischer Erde betrug der Vorteil am italienischen Standort nur noch das 23-fache. Auch der schwedische Genotyp zeigte sich in heimischer Erde vierfach fitter als in italienischer. Für den Standort Schweden ergab die Studie keine brauchbaren Daten, da der italienische Phänotyp dort nicht bis zur Fortpflanzung überlebte. Daraus ergibt sich ein starker Selektionsvorteil für den jeweils lokalen Genotyp.

Bedeutung für Pflanzenzucht und Landwirtschaft

Die anpassungsbedingten Unterschiede der beiden Genotypen lassen sich jedoch nur teilweise durch geochemische Eigenschaften und Mikroorganismen des Bodens erklären. Maßgebliche Triebkräfte der regionalen Anpassungen müssen nach Einschätzung der Forscher daher das Klima oder andere Umweltfaktoren sein, die nicht mit den Bodeneigenschaften in Verbindung gebracht werden können. Entsprechend schwierig könnte es in den kommenden Jahrzehnten für Pflanzen werden, trotz der guten Anpassung an regionale Bodenbedingungen mit veränderten klimatischen Bedingungen zurecht zu kommen. Auch darüber hinaus sind die neuen Erkenntnisse für Pflanzenzüchter von Bedeutung, da deren Sorten an unterschiedlichen Standorten, auf unterschiedlichen Böden und bei jährlich wechselnden Wetterbedingungen zum Einsatz kommen.