Bestimmte Kombinationen aus Pflanzen und Bakterien verbessern Lebensmittelsicherheit

Ein EU-finanziertes Forscherteam hat untersucht, wie die Interaktion zwischen Pflanzen und Mikroben die Aufnahme von Stickstoff (N) und Schwefel (S) verbessern kann.

Lebensmittel und natürliche Ressourcen

So könnte die für beide Seiten positive Wechselwirkung bald schon beim Anbau von Kulturpflanzen genutzt werden, um hochleistungsfähige Pflanzengenotypen zu züchten. Ziel ist, mit mikrobiellen Populationen die Nährstoffeffizienz zu verbessern und den Düngemittelverbrauch zu senken. Bislang ist allerdings noch wenig bekannt über die biochemischen Umwandlungs- und Austauschprozesse, die zwischen Pflanzen und Mikroben stattfinden, und auch darüber, welche Mikrobenarten das Pflanzenwachstum und die Nährstoffaufnahme am besten unterstützen. Nachgewiesen wurde bereits, dass Pflanzengenotypen in unterschiedlicher Art und Weise die sogenannte Rhizosphäre beeinflussen (den engeren Umkreis des Bodens, in dem die Pflanze Wurzelsekrete absondert). Mit einem Marie-Skłodowska-Curie-Einzelstipendium untersuchte das unter Horizont 2020 geförderte Projekt PINBAC daher mit modernsten Proteomik- und Metabolomikverfahren und an Modellen für Stoffwechselprozesse den Nährstoffaustausch zwischen Pflanzen und Mikroben in der Rhizosphäre, um diese Wissenslücke zu schließen. Neuer Ansatz zur Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Mikroben Die Forscher zeigten, dass sich mittels quantitativer Proteomik, der groß angelegten Analyse von Proteinen, auch Rhizosphärenbakterienstämme analysieren lassen, die taxonomisch variieren. „In diesen Analysen verwendeten wir Daten zu Wachstumsphänotyp und Proteomik zusammen mit Computermodellen des bakteriellen Stoffwechsels“, sagt Projektkoordinator und Marie-Curie-Stipendiat Dr. Stanislav Kopriva. Weiterhin enthüllte das Projekt die enorme metabolische Flexibilität eines Pseudomonas-Stammes in der Rhizosphäre, der über umfangreiche Umbauprozesse am Proteom auf verschiedene organische Stickstoffquellen reagiert. Schließlich entwickelten die Forscher ein neues LC/MS-Verfahren (Flüssigchromatographie/Massenspektrometrie), um den Nährstoffaustausch zwischen Pflanzen und Mikroben zu untersuchen. Mit diesem Ansatz aus der Exometabolomik, dem so genannten „Metabolic Footprinting“, konnten spezifische extrazelluläre Metaboliten untersucht werden, u.a. auch, auf welche Weise sich der Substratverbrauch mikrobieller Stämme jeweils unterscheidet. Wie Dr. Kopriva beschreibt, gelang es, „einen Exometabolom-Ansatz in Kombination mit Proteomik und Modellbildung zu testen.“ Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Molecular Plant-Microbe Interactions veröffentlicht. In der proteomischen Studie zum Stickstoffmetabolismus lieferte PINBAC detailliertes neues Wissen zum Stickstoffmetabolismus von Mikroben in der Rhizosphäre. Der demnächst veröffentlichte Beitrag beschreibt Dr. Richard Jacoby und Dr. Kopriva zufolge die Stoffwechselwege, die verschiedene Bakterienstämme in der Rhizosphäre für organische Stickstoffquellen nutzen. Ein Überblick zur Interaktion zwischen Pflanzen und Wurzelbakterien, die die Aufnahme mineralischer Nährstoffe durch Pflanzen fördern, erschien bereits in der Fachzeitschrift Frontiers in Plant Science. „The Role of Soil Microorganisms in Plant Mineral Nutrition—Current Knowledge and Future Directions“ fasst den aktuellen Wissensstand mehrerer Forschungsbereiche zusammen, die in ihrer Gesamtheit das Verständnis der molekularen Mechanismen, die der Zusammensetzung von Rhizosphären-Mikrobiomen und ihrer Dynamik zugrunde liegen, verbessern können. Besseres Pflanzenwachstum und Nährstoffeffizienz PINBAC beschrieb auch eine Reihe von Proteinen und Stoffwechselwegen, die am Nährstoffaustausch zwischen Pflanzen und Mikroben beteiligt sind. „Die mit diesen Proteinen assoziierten Gene könnten in künftigen Zuchtstrategien anvisiert werden, damit die gewünschten mikrobiellen Stämme in ein Pflanzenmikrobiom aufgenommen werden. Auch könnte durch biochemische Techniken die Rhizosphäre und damit das Mikrobiom für optimales Pflanzenwachstum und Ressourceneffizienz verändert werden“, kommentiert Dr. Kopriva. Methodische Ansätze, die im Projekt entwickelt wurden, könnten künftige europäische mechanistische Studien zu metabolischen Wechselwirkungen an der Schnittstelle zwischen Pflanzen und Mikroben deutlich ergänzen. Dr. Kopriva fasst zusammen: „So können die Ergebnisse von PINBAC künftig die Entwicklung von landwirtschaftlichen Verfahren zur Senkung des Verbrauchs an mineralischen Düngemitteln und für eine nachhaltigere Landwirtschaft fördern.“

Schlüsselbegriffe

PINBAC, Pflanze, Stoffwechsel, Stickstoff (N), Rhizosphäre, Schwefel (S), Proteomik, Genotyp, Exometabolomiks, Zugang

Characterising plant interactions with bacteria that promote the uptake of nitrogen and sulphur from organic sources

Bestimmte Kombinationen aus Pflanzen und Bakterien verbessern Lebensmittelsicherheit

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