Pflanzen verlassen sich auf ihre ansässigen Bakterien, um sie vor schädlichen Mikroben zu schützen.

Pilze und andere filamentöse Mikroben, die als Oomyzeten bezeichnet werden, verursachen viele verheerende Pflanzenkrankheiten und sind zusammen für mehr als 10 Prozent aller Ernteverluste verantwortlich. Eine bahnbrechende neue Studie zeigt nun, dass auch gesunde Pflanzen potenziell schädliche Pilze und Oomyzeten in den Wurzeln der Pflanzen enthalten. Dass sie nicht krank werden, liegt an der gleichzeitigen Anwesenheit einer Vielzahl von gleich bleibenden Bakterien, die das Gleichgewicht zwischen diesen Mikroorganismen in den Pflanzenwurzeln regulieren und so das Überleben der Pflanzen in der Natur sichern. Das sind die Ergebnisse einer in der Zeitschrift Cell veröffentlichten Studie, die von Stephane Hacquard und Paul Schulze-Lefert am Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung in Köln geleitet wurde.

Der Boden beherbergt eine erstaunliche Vielfalt und Anzahl von mikrobiellen Organismen wie Bakterien, Pilzen und Oomyzeten. Diese Mikroben aus verschiedenen Lebensbereichen sind dafür bekannt, dass sie komplexe Wechselwirkungen miteinander eingehen, und eine kleine Teilmenge, zusammenfassend als „Wurzelmikrobiota“ bezeichnet, ist in der Lage, die Wurzeln gesunder Pflanzen zu kolonisieren. Pflanzen sind bodenverankerte Organismen und ihre ober- und unterirdischen Teile werden ständig von verschiedenen mikrobiellen Krankheitserregern angegriffen. Ein ausgeklügeltes angeborenes Immunsystem schützt die Pflanzen vor vielen dieser schädlichen Mikroben, aber es bleibt unklar, ob diese Maschinen allein ausreichen, um die Pflanzen in der Natur vollständig zu schützen. Es ist wenig darüber bekannt, ob Wechselwirkungen zwischen Mikrobiota-Mitgliedern die mikrobielle Besiedlung von Wurzeln beeinflussen und die Pflanzengesundheit fördern können.

Das Forschungsteam beschäftigte sich mit diesen Fragen, indem es zunächst eine Zählung der Mikroben durchführte, die mit den Wurzeln und dem umgebenden Boden gesunder Individuen der Modellpflanze Arabidopsis thaliana aus verschiedenen geografischen Gebieten verbunden sind. Während wurzelassoziierte Pilz- und Oomycetalgemeinschaften große Unterschiede zwischen den Standorten aufwiesen, hatten die Bakteriengemeinschaften eine ähnlichere Struktur, was auf potenziell wichtige Funktionen für diese wurzelbewohnenden Bakterien hinweist. Darüber hinaus fanden die Autoren eine mögliche Signatur der gegenseitigen Ausgrenzung zwischen Bakterien und filamentösen Mikroben in den Wurzeln, was auf einen Wettbewerb um den Zugang zur Wurzelnische hindeutet.

Um genauer zu untersuchen, ob diese Mikroorganismen in Pflanzenwurzeln konkurrieren, haben die Forscher zunächst die Mikroorganismen der gesunden Arabidopsis thaliana dekonstruiert, indem sie reine Kulturen von wurzelassoziierten Einzelbakterien, Pilzen und Oomyzeten etabliert haben. Dann führten sie in einem Rekonstruktionsansatz Kombinationen von Bakterien, Pilzen und Oomyzeten in keimfreie Pflanzen ein, um den Einfluss dieser mikrobiellen Gruppen auf die Pflanzengesundheit zu testen. Mit diesem System beobachteten die Wissenschaftler, dass das Überleben der Pflanzen in Gegenwart von Pilzen und Oomyzeten vollständig von der gleichzeitigen Anwesenheit von Bakterien abhängt. Diese Bakterien fördern die Pflanzengesundheit, indem sie das Wachstum von Pilzen und Oomyzeten in den Wurzeln einschränken. Darüber hinaus reichten mehrere Einzelbakterien des Konsortiums für diese Schutzmaßnahme aus, was zeigt, dass der Pflanzenschutz ein weit verbreitetes Merkmal unter den entfernt verwandten wurzelassoziierten Bakterien ist.

„Wir haben gezeigt, dass das Immunsystem der Pflanzen allein nicht ausreicht, um vor boden- und wurzelassoziierten Pilzen und Oomyzeten zu schützen, und dass wurzelassoziierte Bakterien eine erweiterte Immunfunktion bieten, die für das Überleben der Pflanzen in der Natur notwendig ist“, sagt Dr. Hacquard. Die Ergebnisse der Autoren könnten zur rationellen Gestaltung probiotischer Bakterien oder bakterieller Gemeinschaften beitragen, die die Gesundheit landwirtschaftlicher Nutzpflanzen schützen. Die Gruppe ist nun daran interessiert zu definieren, welche Gene und Moleküle an dieser Schutzfunktion von Bakterien beteiligt sind.

Mehr Informationen:
Zelle (2018). DOI: 10.1016/j.cell.2018.10.020

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