Pflanzen sind niemals allein

„Die Pflanze ist kein isolierter Organismus, sondern immer von einer verblüffend großen Anzahl von Mikroorganismen besiedelt“, erklärt Prof. Dr. Marcel Bucher vom Botanischen Institut der Universität zu Köln. Wir sprachen mit ihm über seine Forschung zum Mikrobiom, dessen Effekt auf die pflanzliche Entwicklung und Fitness sowie über synthetische Mikrobengemeinschaften und wie diese in einer nachhaltigen Landwirtschaft gezielt für höhere Erträge genutzt werden könnten.

Pflanzenforschung.de: Ihre Arbeitsgruppe interessiert sich vor allem für die Schnittstelle zwischen Pflanzenwurzeln und Boden. Warum?

Prof. Bucher: Im letzten Jahr kam eine Studie zu dem Schluss, dass über 80 Prozent der Biomasse der Erde von Pflanzen stammt [Anm. d. Red.: Wir berichteten hier]. Ihr zufolge ist das meiste Leben pflanzliches Leben und befindet sich auf dem Land – und somit im und auf dem Boden. Das zeigt die Bedeutung dieser Schnittstelle. Die Wurzeln und ihre Interaktionen mit Mikroorganismen haben große Auswirkungen auf die pflanzliche Produktivität. Wir glauben, dass eine Ertragssteigerung bei Nutzpflanzen – die unbedingt notwendig ist, um die Weltbevölkerung zu ernähren – über die Verbesserung der Boden-Nutzpflanze-Interaktion zu erreichen ist. Diese Interaktion ist ein höchst interessantes und komplexes Forschungsobjekt.

#####1#####

Pflanzenforschung.de: Wie wurde Ihre Leidenschaft für dieses Thema geweckt?

Prof. Bucher: Bereits seit meiner Doktorarbeit beschäftige ich mich mit dem Boden. Damals ging es um die Auswirkungen von Staunässe und Sauerstoffmangel auf den Pflanzenstoffwechsel. Später interessierte ich mich für die Nährstoffaufnahme durch Wurzelhaare und wie deren Transportsysteme funktionieren.

Doch als ich dann zur ETH Zürich kam, stießen wir auf ein höchst interessantes Gen. Es ist für die Aufnahme von Phosphat in die Wurzeln zuständig. Das Besondere war, dass wir den ersten Mykorrhiza-spezifischen Phosphattransporter entdeckten. Das hat uns eine Publikation in Nature eingebracht. Nachdem ich meine Arbeitsgruppe an der Universität Köln aufgebaut hatte, habe ich das Thema noch einmal erweitert. Es geht nicht mehr nur um die Symbiose von Pflanzen mit Mykorrhizapilzen, sondern wir nehmen jetzt das ganze Mikrobiom in den Fokus. Also alle Mikroorganismen, die mit Wurzeln in Kontakt kommen. Dazu bietet mir das Exzellenzcluster CEPLAS die besten Rahmenbedingungen.

Pflanzenforschung.de: Wie genau erforschen Sie das Mikrobiom?

Prof. Bucher: Wir nehmen Proben vom Boden, der Rhizosphäre und den Wurzeln und sequenzieren die darin enthaltene DNA. Wir können die Mikroorganismen anhand ihrer spezifischen DNA-Sequenzen voneinander unterscheiden. Moderne Sequenziermethoden machen das heute möglich. So können wir feststellen, was in, auf und um die Wurzeln alles lebt. Neben schädlichen und vielen asymptomatischen gibt es auch viele förderliche Mikroorganismen, die wir näher untersuchen.

Pflanzenforschung.de: Welche Vorteile können Mikroben für Pflanzen haben?

Prof. Bucher: Mikroorganismen können zum Beispiel die Architektur der Wurzeln verändern, damit diese mehr Nährstoffe aufnehmen können. Oder sie verändern die Chemie des Bodens, damit sowohl den Mikroben selbst als auch den Pflanzen mehr Nährstoffe zur Verfügung stehen. Man hat auch festgestellt, dass Bakterien pflanzenhormonähnliche Stoffe bilden können, die einen positiven Einfluss auf das Pflanzenwachstum haben.

Dann gibt es noch die in einer mutualistischen Symbiose mit ihren Wirtspflanzen lebenden Mikroorganismen. Sie interagieren direkt mit den Pflanzen und gehen eine enge Verbindung ein. Charakteristischerweise haben beide Partner – Pflanze und Mikroorganismus – einen deutlichen Vorteil davon. Zum Beispiel Mykorrhizapilze, die die Pflanze mit Phosphat versorgen und die Wasseraufnahme verbessern. Oder Rhizobien, auch Knöllchenbakterien genannt, die Stickstoff fixieren und den Pflanzen zur Verfügung stellen.

Mikroorganismen können auch die Widerstandsfähigkeit der Pflanzen gegenüber Krankheiten erhöhen oder deren Wasserhaushalt verbessern. Sie sehen: Es ist eine sehr vielfältige Palette an positiven Funktionen. Gerade die Mikroorganismen, die in der Pflanze oder direkt auf ihr leben, haben sehr große Auswirkungen auf die Entwicklung und das Wachstum. 

Pflanzenforschung.de: Sind Mikrobengemeinschaften dann so etwas wie ein zusätzliches Immunsystem für Pflanzen?

Prof. Bucher: Man kann sagen, dass das Mikrobiom wie eine Art erweitertes Immunsystem wirkt. Da Mikroorganismen beispielsweise auch untereinander konkurrieren und förderliche Mikroorganismen schädliche verdrängen können. Allerdings muss man sich bewusst sein, dass Pflanzen sehr wohl ein eigenes und robustes Immunsystem haben. Die sogenannte „angeborene Immunität“, die sie bis zu einem gewissen Grad vor Krankheitserregern schützt. Aber das pflanzliche Immunsystem unterscheidet sich in einem Punkt deutlich vom menschlichen: Pflanzen haben keine Antikörper oder Abwehrzellen [Anm. d. Red.: Siehe auch: „Immunsysteme von Pflanzen und Tieren ähnlicher als gedacht“].

#####2#####

Pflanzenforschung.de: Was weiß man über die Art der Kommunikation zwischen Pflanzen und förderlichen Mikroben?

Prof. Bucher: Bei Mykorrhizapilzen und Rhizobien weiß man, dass sie über Botenstoffe mit ihren Wirtspflanzen kommunizieren. Beide senden interessanterweise sehr ähnliche Botenstoffe in den Boden. Die meisten Landpflanzen können eine Mykorrhiza-Symbiose eingehen und pilzliche Signalstoffe empfangen. Bei den Rhizobien ist es eine kleine ausgewählte Gruppe von Pflanzen, die mit diesen Bakterien kommunizieren. Das sind vor allem die Leguminosen, wie Erbsen oder Bohnen.

Pflanzenforschung.de: Aber woher weiß die Pflanze, dass diese Mikroorganismen nützlich für sie sind?

Prof. Bucher: Weil sie die Botenstoffe dieser Mikroorganismen erkennt und sofort weiß „ah, das ist das Signal eines Freundes“. Die Pflanzenwurzeln haben spezielle Rezeptoren an der Oberfläche der Wurzelzellen, mit denen sie diese Stoffe detektieren können. Die Signale werden dann in den Zellkern weitergeleitet und aktivieren hier Symbiose-Gene. Diese Gene kodieren für Proteine, die die Kolonisierung der Wurzel ermöglichen. Also quasi die Tür für Ihre mikrobiellen Freunde öffnen. Denn die Wurzeln bilden daraufhin kleine fadenförmige Tunnel, durch die Mikroorganismen eindringen können. Das ist eine sehr enge und intime Kooperation!

Faszinierend ist, dass die Pflanze nicht nur zwischen „gut“ und „böse“, sondern auch zwischen Pilz und Bakterium unterscheiden kann.

Pflanzenforschung.de: Im aktuellen Projekt „RECONSTRUCT“ wollen Sie ermitteln, welchen Anteil Bodenmikroben am Wachstum und der Anpassung von Maispflanzen an die Umweltbedingungen haben. Warum arbeiten sie im Projekt mit Mais?

Prof. Bucher: Mais ist nicht nur eine der wichtigsten Nutzpflanzen weltweit, er kann auch sehr gut mit Mikroorganismen und vor allem förderlichen Mikroben interagieren. Zudem weist Mais mit seinen an viele Standorte angepassten Sorten eine sehr hohe genetische Variabilität auf und eignet sich daher vorzüglich, um genetische Faktoren zu finden, die die wachstumsfördernde Funktion des Mikrobioms unterstützen.

Pflanzenforschung.de: Was erhoffen Sie sich konkret von diesem Projekt?

Prof. Bucher: Unser Ziel sind Maispflanzen, die so mit einem optimal besetzten Wurzelmikrobiom interagieren, dass sie in der Lage sind, sogar auf nährstoffarmen Böden noch gut zu wachsen. Wir wollen herausfinden, welche Mikroben sich förderlich auf das Wachstum auswirken und den Ertrag erhöhen. Und dieses Wissen dann am Ende auch praktisch nutzen. Eines Tages könnte es Saatgut geben, das mit optimalen Mikrobengemeinschaften beschichtet ist. Diese Pflanzen hätten dann schon bei der Aussaat die Mikroorganismen zur Seite, die ihr Wachstum beschleunigen.

Pflanzenforschung.de: Wie gehen Sie im Projekt vor?

#####3#####

Prof. Bucher: Zunächst bauen wir genetisch sehr unterschiedliche Maissorten unter verschiedenen Anbaubedingungen an. Anschließend analysieren wir deren Wachstum. Dafür nutzen wir sogenannte „omics“-Methoden. Die Analyse des Transkriptoms zeigt uns beispielsweise, welche Gene zu welchem Zeitpunkt aktiv sind. Man kann auch erfassen, welche Nährelemente die Pflanze mit den Wurzeln aufgenommen und innerhalb der Pflanze verteilt hat: Das ist das Ionom. Es beschreibt die Gesamtheit der aufgenommenen Elemente. Auch das Metabolom, also der Gehalt an Stoffwechselprodukten und damit die Stoffwechselaktivität zu einem bestimmten Zeitpunkt, untersuchen wir.

Und natürlich das Mikrobiom. Wir betrachten zunächst das Wachstum der Maispflanzen im Feld mit den dort vorkommenden Mikrobiomen. Daraus entwickeln wir Modelle, um die Wirkung bestimmter Mikroben und mikrobiellen Gemeinschaften vorherzusagen. Im nächsten Schritt werden diese Vorhersagen dann in kontrollierten Experimenten überprüft. Dafür müssen wir synthetische  Mikrobengemeinschaften „zusammenbauen“ und zu den Pflanzensamen geben. So kann der tatsächliche Effekt der verabreichten Mikroorganismen in der Praxis überprüft werden. Am Ende haben wir dann hoffentlich die Formel, wie ein optimales Mikrobiom für eine spezielle Sorte und für bestimmte Anbaumethoden aussehen muss.

Pflanzenforschung.de: Sie wollen im Projekt - der Name verrät es bereits - „rekonstruieren“. Dafür schaffen sie nicht nur künstliche Mikrobengemeinschaften, sondern stellen auch künstlichen Boden her. Was versprechen Sie sich davon?

Prof. Bucher: Natürlicher Boden ist nie gleich und verändert sich auch mit der Zeit. Wenn wir bei unseren Experimenten mit natürlichen Böden arbeiten würden, können wir die Ergebnisse nur unter Berücksichtigung von hoher Variabilität miteinander vergleichen. Es geht uns jedoch um Reproduzierbarkeit. Daher arbeiten wir an standardisiertem künstlichem Boden.

Die Bodenwissenschaftler in unserem Projekt-Konsortium sind gerade dabei, die Bodenbestandteile nachzubilden. Dafür mischen wir im Projekt verschiedene käufliche Substrate, beispielsweise Quarzsand mit unterschiedlichen Korngrößen, mit verschiedenen Mineralien und Elementen wie Eisenoxid. Eine Herausforderung sind aber die organischen Bestandteile, die eine große Bedeutung für die Bodenqualität haben. Wir suchen derzeit noch nach geeigneten Rohstoffen, um auch den organischen Anteil des Bodens standardisiert nachzubilden.

Pflanzenforschung.de: Haben Sie vielen Dank für das Gespräch!