Samen als Zeitkapsel

Tomaten vererben Symbiosen an Nachwuchs

05.04.2019 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Tomatenpflanzen geben über ihre Samen nützliche Bakterien an ihre Nachkommen weiter. (Bildquelle: © enaoniro/Pixabay/CC0)
Tomatenpflanzen geben über ihre Samen nützliche Bakterien an ihre Nachkommen weiter. (Bildquelle: © enaoniro/Pixabay/CC0)

Partnerschaften mit Mikroorganismen sind für Pflanzen wichtig, um z. B. besser Nährstoffe aufzunehmen oder mit schädlichen Umweltfaktoren zurechtzukommen. Damit diese Partnerschaften nicht in jeder Generation neu geknüpft werden müssen, vererben Tomaten vorteilhafte Bakterien anscheinend über die Samen weiter.

Mykorrhiza, die Symbiose von Pilzen und Pflanzen, ist ein Beispiel, wie Mikroorganismen das Wachstum und den Ertrag von Pflanzen beeinflussen können. Doch nicht nur im Wurzelraum sind Pflanzen dicht mit Mikroorganismen besiedelt. Über Mikroorganismen in Pflanzensamen war bislang aber noch wenig bekannt. Ein deutsch-österreichisches Forscherteam hat nun moderne Sequenzierungsverfahren genutzt, um auch das Mikrobiom in Samenkörnern zu untersuchen.

Mikrobiom oberhalb der Wurzeln weniger erforscht

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Darstellung des Mikrobioms. Die farbigen Punkte stehen für unterschiedliche Bakterienstämme. In den Früchten stecken die Samen der zweiten Generation.

Quelle: © Bergna, A. et al./ Phytobiomes Journal

Unstrittig ist unter Pflanzenforschern, dass der pflanzliche Genotyp und die Bodenbeschaffenheit wesentlich beeinflussen, wie sich das Mikrobiom im Wurzelraum zusammensetzt. Doch wie sieht es mit der Zusammensetzung in den Samen in den Früchten aus? Spielen auch hier der Boden und das Genom eine Rolle? Dies war eine der beiden Fragen, mit denen sich Pflanzenforscher u. a. vom Leibniz-Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau in Großbeeren beschäftigt haben. Die Zweite war, ob über die Samen nützliche Bakterien von Generation zu Generation weitergegeben werden, um eine „kontinuierliche Partnerschaft“ zu ermöglichen.

Die Wissenschaftler untersuchten zwei aufeinanderfolgende Generationen zweier Tomatensorten. Die Wahl fiel auf das Fruchtgemüse, da es mit einer Ernte von 183 Millionen Tonnen im Jahr 2017 (FAO) wichtig für die Ernährung ist und zugleich anfällig ist gegenüber Pathogenen im Boden, wodurch das Ertragsrisiko steigt. Darüber hinaus ist das Mikrobiom der Tomate (Solanum lycoperscium) im Boden gut erforscht, während über das in den überirdischen Teilen relativ wenig bekannt ist.

Diversität nimmt nach oben hin ab

Die Forscher untersuchten, welche Bakterien die pflanzlichen Mikrohabitate im Wurzelraum, in der Endosphäre, den Samen der ersten und zweiten Generation sowie im nahegelegenen Boden bevölkern. Die größte Abteilung in allen Mikrohabitaten sind demnach Proteobacteria mit einem Anteil von 60 bis 71 Prozent in der Pflanze und 40 Prozent im Boden. Größere Anteile besitzen zudem Firmicutes, Actinobacteria und Bacteriodetes. Die häufigsten Familien in allen Pflanzenkompartimenten waren Pseudomonadaceae und Comamonadacea.

Bemerkenswert ist zudem die Familie Burkholderiaceae, die praktisch nur in den Samen vorkommt. In den Samen der ersten Generation liegt ihr Anteil bei 19 Prozent, in der zweiten bei drei Prozent. Während auch Pseudomonadaceae in der ersten Generation einen höheren Anteil am Mikrobiom der Samen aufweisen, gilt das umgekehrte für die Familien Comamonadaceae, Rhizobiaceae und Oxalobacteraceae. Darüber hinaus stellten die Pflanzenforscher fest, dass Samen beider Generationen die Mikrobiome mit der geringsten Diversität bilden.

Boden beeinflusst Mikrobiom stärker als die Sorte

Während die Sorte der Tomaten wenig Einfluss hat, zeigen sich deutliche Unterschiede in der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften je nach Bodenart – lehmig oder sandig. In der Rhizosphäre ist der Effekt noch stark, in der Wurzelendosphäre schon schwächer. Der Einfluss auf das Mikrobiom der Samen ist nur noch marginal. Insgesamt bestätigte sich, dass unterschiedliche Pflanzenkompartimente charakteristische Bakteriengemeinschaften besitzen. 

Die Zusammensetzung des Mikrobioms der Samen deutet darauf hin, dass sich dort Bakterien anreichern, die bodenkompatibel sind. Das erscheint sinnvoll, da ruhende Samen erst bei Bodenkontakt aktiv werden. Obwohl die Mechanismen noch unklar sind, könnte die Pflanze das Mikrobiom ihrer Samen aktiv gestalten, spekulieren die Forscher. Dafür spricht auch, dass sich dort Bakterienarten finden, die der Pflanze Resistenzen gegen biotische und abiotische Stressfaktoren vermitteln oder das Wachstum begünstigen.

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Das Mikrobiom verändert sich je nach Standort. Es macht einen Unterschied, ob Tomaten im Gewächshaus (Foto) oder draußen wachsen.

Das Mikrobiom verändert sich je nach Standort. Es macht einen Unterschied, ob Tomaten im Gewächshaus (Foto) oder draußen wachsen.

Quelle: © davehan2016/Pixabay/CC0

Umweltfaktoren prägen Samen-Mikobiom

Wuchsen die Tomatenpflanzen unter Feldbedingungen auf wie die erste Generation, war die Bakteriengemeinschaft besonders gut darin, Pflanzenpathogene abzuwehren. Pflanzen, die wie die zweite Generation in einer pathogenfreien und nährstoffarmen Umgebung aufwuchsen, besaßen hingegen ein Samen-Mikrobiom, das die Pflanze darin unterstützte, Nährstoffe aufzunehmen. „Wir haben Belege für umweltgetriebene Veränderungen im Samen-Mikrobiom der zweiten Generation gefunden“, interpretieren die Wissenschaftler das Ergebnis.

Parallelen zu Moosen und Menschen

Die Pflanzenforscher ziehen Parallelen zu anderen Organismen: Moose und Flechten statten ihre Brutkörper mit nützlichen bakteriellen Gemeinschaften aus. Säugetiere übertragen während der Geburt nützliche Mikroorganismen auf ihren Nachwuchs. Weshalb sollten Samenpflanzen nicht das Gleiche tun, um bewährte Partnerschaften in der nächsten Generation fortzusetzen?

Für die Pflanzenzüchtung und Landwirtschaft würde das enormes Potenzial bergen: „Diese Befunde bilden eine Basis, um weiter zu untersuchen, wie Pflanzensamen gezielt mit nützlichen Mikroorganismen ausgestattet werden können“, resümiert Studienleiter Tomislav Cernava. Das schaffe die Grundlage, um nachhaltige Alternativen für die Landwirtschaft zu chemischen Mitteln wie Dünger und Pestiziden zu entwickeln.

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