In Zusammenarbeit mit:
Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) & Universität Bonn
Wurzel & Friends
Text: IPK LEIBNIZ-INSTITUT & UNIVERSITÄT BONN
Damit Pflanzenwurzeln gute Arbeit leisten können, brauchen sie die Hilfe bestimmter Bakterien und Pilze. Bisher ging die Forschung davon aus, dass allein die Wachstumsbedingungen im Boden bestimmen, welche und wie viele dieser mikroskopisch kleinen Helfer sich um eine Wurzel tummeln. Doch ein Forschungsteam unter Federführung der Universität Bonn und unter Beteiligung des IPK Leibniz-Institutes hat an Maispflanzen nachgewiesen, dass auch die Erbanlagen der Pflanzen eine wichtige Rolle spielen. Dieses Wissen kann helfen, Maissorten zu züchten, die besser an Trockenheit und Nährstoffmangel angepasst sind.
Das „Mikrobiom“ im Darm des Menschen entscheidet darüber, ob wir krank werden oder gesund bleiben. Bei Pflanzen funktioniert es ganz ähnlich. Damit sie wachsen können, nehmen sie über ihre Wurzeln Wasser und Nährstoffe auf und greifen dabei auf winzige Helfer zurück: vor allem Bakterien und Pilze, die in einer dünnen Schicht um die Wurzeln herum leben. Diese Mikroben wehren auch für die Pflanze schädliche Organismen ab.
Ein Forschungsteam unter Leitung der Universität Bonn und mit Beteiligung des IPK Leibniz-Institutes hat nun an Maispflanzen gezeigt, dass das Erbgut einer Pflanze einen erheblichen Einfluss auf die Zusammensetzung ihrer Wurzelmikroben hat. Für ihre Studie arbeitete das Team mit verschiedenen Maissorten, deren Erbgut sich stark unterscheiden. Überall auf der Welt gibt es regionale Maissorten, die an ganz unterschiedliche Umweltbedingungen angepasst sind, zum Beispiel an das kühlere Hochland oder das wärmere Tiefland in Südamerika. „Die Jahrhunderte lange Selektion von an das lokale Klima angepassten Maissorten führte dabei zu sehr unterschiedlichen Genotypen, die wir für die Studie nutzen konnten“, sagt Dr. Peng Yu von der Universität Bonn.
Das Forschungsteam untersuchte 129 Maissorten sowie die DNA von Mikroben aus über 3000 Proben, die aus der wenige Millimeter dicken Schicht um die Wurzeln entnommen wurden. Einige der Pflanzen wuchsen für die Studie unter „normalen“ Bedingungen, andere unter Phosphor-, Stickstoff- oder Wassermangel.
Unter diesen Stressbedingungen zeigte sich, welche Rolle die Erbanlage der Pflanzen spielt. „Es zeigte sich, dass das Wurzelmikrobiom zwar stark von Stressbedingungen wie Nährstoff- oder Wassermangel abhängt“, sagt Dr. Yong Jiang vom IPK, einer der Erstautoren der Studie, “doch unter gleichen Stressbedingungen zeigten sich bei den Maissorten trotzdem Unterschiede im Mikrobiom.“ Sein Kollege Yu erklärt: „So haben wir nachgewiesen, dass bestimmte Gene im Mais mit bestimmten Bakterien interagieren.“
Anhand der Wachstumsbedingungen und der Erbanlagen einer bestimmten Maissorte konnte das internationale Forschungsteam sogar vorhersagen, welche wichtigen Bakterien- und Pilzarten an der Wurzel vorkommen. Dabei stachen Bakterien der Gattung Massilia besonders hervor: „Auffällig war, dass bei ausreichender Stickstoffversorgung nur wenige Exemplare dieser Mikroben vorkamen“, erklärt Prof. Dr. Gabriel Schaaf von der Universität Bonn. War der Stickstoff dagegen knapp, tummelten sich viele Massilia an den Wurzeln. Das Team „impfte“ daraufhin Maiswurzeln mit dem Bakterium. In der Folge bildeten die Pflanzen deutlich mehr Seitenwurzeln und verbesserten so ihre Nährstoff- und Wasseraufnahme erheblich.
„Wir haben für diese Studie den Werkzeugkasten der Quantitativen Genetik auch für die Mikrobiomforschung aufgeschlossen“, erklärt IPK-Wissenschaftler Jiang. „Dabei waren wir überrascht, welch großen Anteil die genetische Komponente an der Ausbildung des Mikrobioms hat.“ Die Ergebnisse können sowohl von der Wissenschaft als auch von der Züchtung genutzt werden. „Sie können als Grundlage für die Untersuchung weiterer agrarökologischer Fragestellungen und für die Entwicklung neuer, besser an den Klimawandel angepasster Maissorten anhand der Genom- und Mikrobiomdaten dienen.“
