Symbiosen zwischen Pilz und Pflanze
Neues Verfahren macht Nährstoffaustausch sichtbar
Orchideen (hier Lycaste xytriophora) und Pilze leben in einer mutualistischen Symbiose, die als Mykorrhiza bekannt ist. Die Orchideenwurzeln bilden spezielle Strukturen namens Pelotone-Spiralen, die von symbiotischen Pilzen umschlungen werden. Diese Pilze
Mit einem neuen Präparationsverfahren und Isotopenanalysen können jetzt alle Formen der Symbiosen zwischen Pilzen und Pflanzen näher untersucht werden. Die neue Methode hat ein internationales Forscherteam unter Leitung der Universität Bayreuth entwickelt und zeigt, welche und wie viele Nährstoffe eine Pflanze von ihrem Symbiosepartner erhält.
Nicht alle Pflanzen gewinnen ihren Kohlenstoff vollständig durch die eigene Photosynthese. Denn einige sind zumindest teilweise heterotroph: Sie nutzen symbiontische Pilze im Boden als Kohlenstoffquelle. Manchen Pflanzen decken sogar den gesamten Kohlenstoffbedarf über ihren Symbiosepartner und haben die Photosynthese ganz eingestellt.
Studienleiter Gerhard Gebauer und Erstautorin Franziska Zahn im Labor für Isotopen-Biogeochemie der Universität Bayreuth.
Bildquelle: © UBT / Chr. Wißler
Kohlenstoffisotope verraten ihren Ursprung
Daten über Art und Umfang des Nährstoffaustauschs zwischen Pflanze und Pilzsymbionten sind wichtig für das Verständnis der Biodiversität und Funktionsweisen von Ökosystemen und können schon seit längerem durch das Isotopenprofil des Kohlenstoffes (12C/13C) und Nickstoffes (14N/15N) gewonnen werden. So enthalten symbiontische Pilze oft weniger 13C als pflanzliches Gewebe. Ähnliche Signaturen gibt es auch bei den Stickstoffisotopen.
Oft fehlten die Referenzwerte
Wenn Wissenschaftler:innen die Nährstoffströme untersuchen, benötigen sie zwei Referenzwerte: das Isotopenprofil z.B. des Kohlenstoffs in autotrophen Pflanzen und das Isotopenprofil des Kohlenstoffs in den Pilzpartnern. Zwischen beiden Referenzwerten liegt das Isotopenprofil des Kohlenstoffs in heterotrophen Pflanzen, die einen Teil des benötigten Kohlenstoffs ihren Pilzpartnern entziehen.
Der Hacken bisher: Ausreichend Kohlenstoffverbindungen für die Messung konnten bislang nur aus den Fruchtkörpern der Pilze gewonnen werden. Doch nur 10 Prozent der symbiontischen Pilze bildet solche Strukturen.
Die rotbraune Stendelwurz (links) ist eine in Symbiose mit Pilzen lebende Orchidee. Die mikroskopischen Aufnahmen (rechts) zeigen die knäuelförmigen Pelotone der Pilze in den Wurzeln der Orchidee.
Bildquelle: Erik Söll
Hier hat nun das Bayreuther Forschungsteam Fortschritte erzielt: Es konnte mit speziellen Präparationsschritten, unter anderem auch mit Ultraschallbehandlungen, die Pilzfäden (Hyphen) in Orchideenwurzeln und verschiedenen Waldpflanzen isolieren und daraus ausreichende Menge an Probenmaterial für Kohlenstoff- und Stickstoffanalysen gewinnen. „Für die Ökosystem-Forschung zu symbiotischen Beziehungen von Pflanzen und Pilzen stehen jetzt die Türen weit offen“, sagt Studienleiter Gerhard Gebauer.
Fallstudien: Orchideen aus Bayern und Waldpflanzen aus Australien und Japan
Im Fokus der Untersuchungen standen Pilze ohne Fruchtkörper, die mit kleinen blattlosen, zur Photosynthese unfähigen und damit völlig heterotrophen Waldpflanzen in einer arbuskulären Mykorrhiza leben. Hierbei handelt es sich um eine häufige und weit in die Evolutionsgeschichte zurückreichende Form der Symbiose von Pflanzen und Pilzen. Es konnten hier unterschiedliche Nährstoffbeziehungen bei den untersuchten Symbiosepartnern erfolgreich charakterisiert werden. Ein anderer Schwerpunkt waren die symbiontischen Beziehungen von Orchideen aus Nordostbayern mit Pilzpartnern, die sogenannten Pelotone (Pilzstrukturen im Wurzelbereich von Orchideen) ausbilden. Auch aus den Pelotonen konnte das Team Probenmaterial erfolgreich extrahieren. Die Isotopenanalysen deuten darauf hin, dass die untersuchten Orchideen ebenfalls einen größeren Anteil ihres Bedarfs an Stickstoff und anderen Nährstoffen den Pilzen entziehen.
Quelle:
Zahn, F. E. et al. (2023): „Novel insights into orchid mycorrhiza functioning from stable isotope signatures of fungal pelotons“. In: New Phytologist (2023), doi: 10.1111/nph.18991
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Titelbild: Orchideen (hier Lycaste xytriophora) und Pilze leben in einer mutualistischen Symbiose, die als Mykorrhiza bekannt ist. Die Orchideenwurzeln bilden spezielle Strukturen namens Pelotone-Spiralen, die von symbiotischen Pilzen umschlungen werden. Diese Pilze liefern den Orchideen Nährstoffe und Wasser aus dem Boden, während die Orchideen den Pilzen Kohlenhydrate und andere organische Verbindungen zur Verfügung stellen. (Bildquelle: © Alberto Salguero / Wikipedia / CC BY-SA 3.0)
