Ein bakterieller Werkzeugkasten für die Besiedlung von Pflanzen
Mithilfe eines neuartigen experimentellen Ansatzes haben Max-Planck-Forscher einen Kernsatz von Genen entdeckt, den kommensale Bakterien benötigen, um ihre pflanzlichen Wirte zu besiedeln
Pflanzen werden von einer enormen Vielfalt von Mikroorganismen, darunter Bakterien, Archaeen und Pilze, besiedelt, die auf ihren Wurzeln und Organen komplexe Gemeinschaften, sogenannte Mikrobiome, bilden. Obwohl für das bloße Auge unsichtbar, sollte die Bedeutung dieser winzigen Bewohner nicht unterschätzt werden. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Pflanzenernährung, beeinflussen die Gesundheit der Pflanzen, stärken ihre Toleranz gegenüber Stressfaktoren wie Trockenheit und helfen bei der Abwehr von Krankheitserregern. Die Nutzbarmachung der Kraft dieser mikrobiellen Assoziationen könnte zu einer nachhaltigeren Landwirtschaft beitragen, die weniger auf Düngemittel und Pestizide angewiesen ist.
Rhodanobacter-Bakterium, hier grün markiert, besiedelt die Wurzel einer Ackerschmalwand.
Jana Ordon
Zu verstehen, wie Mikroorganismen ihre Wirte besiedeln, ist eine Voraussetzung für die Entwicklung und Anwendung von Mikrobiomen mit nützlichen Funktionen, und zu diesem Zweck untersuchen Wissenschaftler häufig, wie einzelne Mikroorganismen mit Pflanzen interagieren. Allerdings wissen die Forscher immer noch nicht genau, wie mehrere Mikroben gleichzeitig Pflanzen besiedeln und mit ihnen interagieren, damit komplexere Wirts-Wirt-Beziehungen entstehen können. Dies ist frustrierend, da Informationen darüber, wie eine Mikrobe mit ihrer Wirtspflanze interagiert, nicht unbedingt repräsentativ für die komplexe Realität sind, die in einer mikrobiellen Gemeinschaft zu beobachten ist. Die Herausforderung war im Wesentlichen technischer Natur - wie kann man das Verhalten einzelner Stämme in einem Heuhaufen von Mikroben und der Pflanze selbst genau charakterisieren?
Um das Problem anzugehen, untersuchten der Erstautor Nathan Vannier und Stéphane Hacquard die Ansiedlung einzelner Mikroben auf Pflanzenwurzeln in komplexen Gemeinschaften, beginnend mit mikrobenfreien Ackerschmalwandpflanzen. Anschließend führten sie eine definierte Gemeinschaft von Mikroben ein, die die in der freien Natur an Pflanzenwurzeln beobachtete Vielfalt repräsentiert, um zu untersuchen, wie diese Mikroben ihren Wirt besiedeln. Da sie die Identität dieser Bakterien kannten und über Referenzsequenzen für ihr genetisches Material verfügten, konnten sie charakterisieren, welche mikrobiellen Gene während der Pflanzenbesiedlung aktiviert oder unterdrückt wurden. Diese Analyse ermöglichte es ihnen, zahlreiche Gene zu identifizieren, die bei vielen verschiedenen Bakterien in Wurzeln stark exprimiert wurden, und Kandidatengene auszuwählen, die möglicherweise an der Besiedlung des Wirts beteiligt sind. Ein Gen reguliert die bakterielle Virulenz und Stressreaktionen, ein anderes ist am Transport von Transmembranpolymeren beteiligt und eine Reihe von Genen, die zusammen als Phosphatsensor fungieren. Die Mutation von drei dieser Gene in Bakterien beeinträchtigte deren Fähigkeit, Wurzeln zu besiedeln, ohne ihr Wachstum in Medien zu beeinflussen. Der Ansatz der Autoren ermöglichte es ihnen, einen Kernsatz von Genen zu identifizieren, den viele Bakterien benötigen, um auf Pflanzenwurzeln zu überleben.
Die von Hacquard und seinem Team angewandte Strategie ermöglichte es ihnen, sowohl die strukturelle als auch die funktionelle Organisation komplexer mikrobieller Gemeinschaften zu verstehen, die Pflanzenwurzeln besiedeln. Die identifizierten Gene werden möglicherweise von sehr unterschiedlichen Bakterien genutzt, um sich auf ihren Wirten anzusiedeln und dort zu überleben.
"Unsere Ergebnisse könnten möglicherweise den Weg für die Entwicklung nützlicher Bakterien ebnen, die Nischen im Wirt effizient besiedeln und die Gesundheit des Wirts fördern können. Dies hat nicht nur Auswirkungen auf die nachhaltige Landwirtschaft, sondern auch auf Fortschritte in der medizinischen Wissenschaft", betont Stéphane Hacquard.
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