Samen-Endophyt blockiert Reispathogen

Heute sind mehr als 130 Bakteriengattungen beschrieben, die endophytisch in Pflanzensamen leben. Während das pflanzliche Mikrobiom im Bereich der Wurzeln und Blätter schon länger intensiv studiert wird, ist nur wenig darüber bekannt, welchen Einfluss die Mikroorganismen-Gesellschaft im Samen auf ihren Wirt hat. Wie die Forschung jetzt zeigen konnte, können bestimmte Mikroorganismen den Wirt effektiv vor Krankheiten schützen.

Bislang kein wirksamer Schutz

Aufgefallen ist dieser Zusammenhang einem asiatischen Forschungsteam. Sie machten die Entdeckung, das Reispflanzen des gleichen Kultivars an einigen Standorten resistent gegen den Krankheitserreger Burkolderia plantarii waren, an anderen jedoch nicht. Dieser Krankheitserreger ist heute in allen Reisanbauregionen der Welt verbreitet, befällt zahlreiche Reissorten und kontaminiert dabei die Anbauflächen mit aromatischen Toxinen, den sogenannten Tropolonen. Bislang mangelt es an effektiven und spezifischen chemischen Pflanzenschutzmittel gegen diesen Krankheitserreger, der sich über das Saatgut verbreitet.

Zunächst stellten die ForscherInnen sicher, dass das Krankheitsbild der betroffenen Reispflanzen wirklich auf den Befall mit B. plantarii zurückzuführen ist. Dessen Präsenz und auch die gemessenen Tropolonkonzentrationen in den Samen waren eindeutige Indizien. Was aber unterschied die resistenten von den anfälligen Pflanzen? Die Arbeitshypothese der ForscherInnen: ein unterschiedliches endophytisches Mikrobiom der Samen. Das untersuchte nun das Team näher.

Gegenspieler mit Tropolonresistenz

Sie fanden, dass die aufkeimenden Samen der resistenten Pflanze stets von dem Bakterium Sphingomonas besiedelt waren. In krankheitsanfälligen Pflanzen hingegen war der Anteil dieser Gattung sehr gering. Die weiteren Analysen konzentrierten sich daher auf diese Bakteriengruppe.

Sollte Sphingomonas tatsächlich ein potenter Gegenspieler von B. plantarii sein, müssten sich diese Mikroben auch in der Gegenwart von toxischem Tropolon gut vermehren können. Das bestätigte sich bei den Experimenten. Umgekehrt überlebten keine Mikroorganismen aus den Samen anfälliger Pflanzen bei einer Kultivierung in einem Tropolon-haltigen Medium. rRNA-Analysen zeigten, dass es sich bei dem widerstandfähigen Endophyt um Sphingomonas melonis handelt.

Schutzmechanismus ist übertragbar

Zum letzten Beweis impften die ForscherInnen nichtresistente Reissamen mit diesem Bakterienstamm – auch diese Pflanzen waren fortan gegen B. plantarii resistent. Auch andere bedeutsame Reiskultivare konnten auf diese Weise widerstandsfähig gemacht werden. Eine weitere wichtige Erkenntnis: Die Resistenz vererbte sich über viele Generationen.

Das Forschungsprojekt konnte auch noch aufklären, auf welche Weise S. melonis die Reispflanze gegen ihren Pathogen verteidigt: Das Bakterium bremst die Produktion von Tropolon durch Ausscheidung von Antranilsäure aus. Dieses Molekül bindet sehr wahrscheinlich antagonistisch an den Sigma-Faktor RpoS, der in Bakterien für die Transkription von zentraler Bedeutung ist. Damit bricht die Tropolon-Synthese zusammen.

Potenzial für den Pflanzenschutz

Natürlich vorkommende Endophyten der Samen können damit wichtige Funktionen des angeborenen Immunsystems ergänzen, folgern die AutorInnen der Studie.  Die neuen Einblicke in die Koevolution von Wirtspflanzen und Samenendophyten sind sicherlich erst der Anfang zur Entwicklung neuer Pflanzenschutzstrategien mittels Priming. In Zeiten sich global ausbreitender pflanzlicher Infektionskrankheiten ist dies eine gute Nachricht.

Quelle:
Matsumoto, H. et al. (2021): Bacterial seed endophyte shapes disease resistance in rice. In: Nature Plants, (4. Januar 2021), doi: 10.1038/s41477-020-00826-5.

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Titelbild: Reisterassen. (Bildquelle: © Quang Nguyen vinh / Pixabay)