Konkurrenz unter Bakterien sorgt für Wohlergehen von Pflanzen

Besiedlung der Wurzeln durch Bakterien der Wurzelmikrobiota
(c) Stéphane Hacquard

Forschende des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam natürliche chemische Strategien identifiziert, die Bakterien nutzen, um Konkurrenten fernzuhalten und sich erfolgreich auf Pflanzen zu vermehren. Die Studie wurde jetzt in der Zeitschrift PNAS veröffentlicht.

In den letzten Jahren ist die Mikrobiota – eine Gemeinschaft von Mikroorganismen, die hauptsächlich aus Bakterien und Pilzen besteht und in allen eukaryontischen Organismen, einschließlich Menschen, Tieren und Pflanzen, zu finden ist – aufgrund ihres Beitrags zur Gesundheit und zum Wachstum ihrer Wirte in den Fokus gerückt.

Insbesondere die Wurzelmikrobiota von Pflanzen ist nachweislich wichtig für die Mineralienversorgung der Pflanzen, den Schutz vor Pflanzenpathogenen und die Toleranz gegenüber abiotischen Stressfaktoren wie Trockenheit.

Die Mechanismen zu kennen, die der Etablierung dieser mikrobiellen Gemeinschaften zugrunde liegen, ist der Schlüssel für kontrollierte Eingriffe in die Mikrobiota, um ihre nützlichen Leistungen für den Pflanzenwirt zu verbessern. Forschende haben Pflanzen- und Umweltsignale identifiziert, die die Ansiedlung der Mikrobiota an den Wurzeln beeinflussen, aber die Bedeutung der Mikroben-Mikroben-Konkurrenz in diesem Prozess ist nach wie vor nicht klar.

Bereits 1928 berichtete Alexander Flemming über die Hemmung zwischen zwei Mikroorganismen unter Laborbedingungen, verursacht durch Antibiotika. Die Identifizierung des Penicillins führte zu bahnbrechende Erfolgen in der modernen Medizin. In ähnlicher Weise ist die Produktion von Molekülen mit hemmender Wirkung bei einigen bodenbewohnenden und wurzelassoziierten Mikroorganismen bekannt, um mikrobielle Pflanzenpathogene in Schach zu halten.

In dieser Studie verwendeten die Wissenschaftler:innen eine große Sammlung von Bakterien, die aus den Wurzeln der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) isoliert wurden, und untersuchten deren Fähigkeit, Moleküle mit hemmender Wirkung zu produzieren. Dies führte zur Identifizierung eines Bakteriums namens Pseudomonas brassicacearum, das eine ungewöhnlich hohe hemmende Aktivität auf viele andere Bakterien in der Wurzelmikrobiota ausübte.

Die Forschenden fanden heraus, dass diese Aktivität weitgehend durch zwei Moleküle vermittelt wird, die zusammenwirken, um die mikrobiellen Konkurrenten in Schach zu halten. Das erste Molekül ist ein antimikrobieller Wirkstoff namens 2,4-Diacetylphloroglucinol, während das zweite Molekül den essenziellen Mikronährstoff Eisen abfängt und ihn so seinen bakteriellen Konkurrenten stiehlt.

Das Team verwendete dann P. brassicacearum-Mutanten, die so konstruiert wurden, dass sie die Produktion der beiden Moleküle blockieren, und testeten, ob sie für die Wurzelbesiedlung in Gegenwart von bakteriellen Konkurrenten relevant sind.

Um diese Hypothese zu testen, besiedelten sie Wurzeln von keimfreier Ackerschmalwand mit einer vereinfachten Bakteriengemeinschaft in Gegenwart von P. brassicacearum-Mutanten oder dem Wildtyp-Stamm. Das internationale Team konnte zeigen, dass diese beiden natürlichen Chemikalien – die von einem einzigen Bakterium produziert werden – nicht nur die strukturelle Organisation der Wurzelmikrobiota beeinflussen, sondern P. brassicacearum auch einen Vorteil bei der Besiedlung und Dominanz der Wurzel verschaffen.

Die Arbeit unterstreicht die Bedeutung der chemischen Abwehr zwischen Bakterien für eine erfolgreiche Besiedlung des Wirts. Diese Ergebnisse haben Auswirkungen auf die Entwicklung von Biologika in der Landwirtschaft, da sie eine Vorhersage der unter vereinfachten Laborumgebung beobachteten hemmenden Aktivitäten, auf die Anwendung im Feld erlauben.

Dies ist ein weiterer Baustein auf dem Weg zur Entwicklung nachhaltigerer Pflanzenschutztechnologien und zum Verständnis der inneren Funktionsweise der pflanzlichen Mikrobiota.

„Es ist erstaunlich, wie die Chemie natürlicher Verbindungen von Mikroben in der Natur genutzt wird, um mikrobielle Gemeinschaften zu bilden, die ihren Pflanzenwirten nützliche Dienste erweisen“, sagt Paul Schulze-Lefert.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Paul Schulze-Lefert
email: schlef@mpipz.mpg.de
Tel: +49 221 5062-350

Originalpublikation:

https://doi.org/10.1073/pnas.2221508120

https://www.mpipz.mpg.de/

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Dr. Mia von Scheven Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung

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