Forschung zum Mikrobiom von Wurzeln für nachhaltige Landwirtschaft
Wurzeln nehmen Nährstoffe und Wasser aus dem Boden auf und sind damit wichtig für pflanzliches Wachstum und Überleben. Damit kommt dem pflanzlichen Mikrobiom, d. h. spezifischen, an Pflanzenwurzeln lebenden Bodenviren, Bakterien, Pilzen und anderen Mikroben, eine ähnliche Aufgabe zu wie dem Darmmikrobiom von Tieren. „Bodenmikroben sind eine enorme landwirtschaftliche Ressource“, so Tania Galindo, deren Projekt ROOTPHENOBIOME an der ETH Zürich, Schweiz, über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanziert wurde. „Genauere Kenntnisse zur Biologie von Bodenmikroben könnten dazu beitragen, die Gesundheit und Trockenresistenz von Pflanzen zu verbessern und das Nährstoffangebot zu erhöhen.“ Gleichzeitig beeinflussen Struktur und Anatomie bestimmter Wurzelarten die Zusammensetzung des Mikrobioms. Die Zucht von Pflanzen mit optimierten Wurzelmerkmalen ist bereits ein wichtiger Forschungszweig, an dem auch die Industrie zunehmend Interesse zeigt. „Dass Wurzel- und Mikrobenforschung komplementäre Bereiche sind, wurde mir bei der Promotion in den Vereinigten Staaten klar“, erklärt Galindo. „Ich bin überzeugt, dass synergistische Effekte zwischen Wurzelmerkmalen und Mikroben genutzt werden könnten, um bestimmte Nachteile moderner Landwirtschaft auszuräumen. Dies hat mit Sicherheit enormes Potenzial, und so beschäftigte ich mich eingehender mit solchen Synergien.“
Analysen von Wurzelmikrobiomen
Schwerpunkt des durch die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen geförderten Projekts ROOTPHENOBIOME waren Zusammenhänge zwischen Wurzelmerkmalen und der Zusammensetzung und Funktion mikrobieller Gemeinschaften. Zudem untersuchte Galindo den Einfluss von Stickstoffmangel auf die Interaktion zwischen Wurzeln und Mikrobiom, um robustere Pflanzen zu identifizieren und zu züchten. Für ihre Forschungen züchtete Galindos Arbeitsgruppe Maispflanzen in sogenannten Mesokosmen, in denen Bodenzusammensetzung und Stickstoffgehalt variierten. Auf diese Weise konnte das Wurzelmikrobiom genauestens beobachtet und analysiert werden. Dann wurden Maislinien mit unterschiedlicher Wurzelstruktur und Anatomie unter Stickstoffmangel gezüchtet. „So wollten wir herausfinden, inwieweit das Wurzelmikrobiom die pflanzliche Reaktion auf niedrige und hohe Stickstoffwerte beeinflusst“, fügt Galindo hinzu.
Modernste Methoden der Pflanzenzüchtung
Die Arbeitsgruppe enthüllte signifikante Zusammenhänge zwischen Bakterien und Merkmalen der Wurzelstruktur bei Stickstoffmangel, sodass nun an Mikrobiomen geforscht werden kann, die die Toleranz gegenüber Stickstoffmangel erhöhen. Dies kann auch mit bestimmten Wurzeltypen kombiniert werden, die die Stickstoffaufnahme verbessern. „Unsere Ergebnisse könnten Zuchtbetrieben zugute kommen, die mit genetischen Markern für Mikrobenrekrutierung arbeiten wollen“, so Galindo. „Unser Versuchsaufbau kann in jedem Labor weltweit installiert werden, um heimische Pflanzen zu untersuchen. Nun hoffen wir auf weitere Forschungen zur Wechselwirkung zwischen Wurzelarchitektur und Wurzelanatomie.“ Mit Sicherheit wird in den kommenden Jahren an Pflanzen mit spezifischen Wurzelarchitekturen und anatomischen Phänotypen geforscht, um Wurzelmikrobiome optimal anzupassen. Wie wichtig Wurzeln und deren Mikroben sind, will Galindos Arbeitsgruppe nun landwirtschaftlichen Kleinbetrieben, der Politik, der Agrarindustrie und der breiteren Öffentlichkeit präsentieren. „Mit diesen wertvollen Ressourcen können bessere Pflanzen mit optimierten mikrobiellen Gemeinschaften für eine nachhaltige Landwirtschaft gezüchtet werden“, sagt sie. „So könnte unsere Arbeit die Basis für künftige mikrobielle Impfstoffe sein, mit denen Samen für spezifische Wurzelphänotypen inokuliert werden. Diese Pflanzen könnten dann auf den Anbauflächen synergistische mikrobielle Gemeinschaften bilden, um vorhandene Bodenressourcen besser zu nutzen.“
Schlüsselbegriffe
ROOTPHENOBIOME, Boden, Mikroben, Landwirtschaft, Wurzeln, Mikrobiome, nachhaltig
