Untersuchung der Rolle von Mikroorganismen beim Schutz von Pflanzen vor Krankheiten
Viele Mikroben helfen, ihre Wirtspflanzen vor eindringenden Krankheitserregern zu schützen. Sie ermöglichen dies durch die Produktion kleiner Moleküle, sogenannter Metaboliten. Dabei handelt es sich um chemischer Substanzen, die schädliche Enzyme, sogenannte Proteasen, blockieren können. Obwohl die Forschung zu diesen in Pflanzen lebenden Mikroben voranschreitet, gibt es noch viel über die komplexen Wechselwirkungen zu lernen, die sie mit Pflanzen und Krankheitserregern eingehen. „Viele Jahre lang konzentrierten sich Studien über pflanzliche Mikrobiome vor allem darauf, die vorhandenen Mikroben zu identifizieren, anstatt die chemischen Wechselwirkungen zu verstehen, die zwischen ihnen und mit dem Wirtsorganismus stattfinden“, sagt Daniel Petras(öffnet in neuem Fenster), Assistenzprofessor am Department of Biochemistry der University of California, Riverside(öffnet in neuem Fenster). „Diese Herausforderung ist besonders in der Phyllosphäre von Bedeutung, dem mikrobiellen Lebensraum auf Pflanzenblättern.“ Jüngste Fortschritte in nicht-zielgerichteter und funktioneller Metabolomik, synthetischen mikrobiellen Gemeinschaften und computergestützten Ansätzen ermöglichten es jedoch, diese komplexen metabolischen Wechselwirkungen und ihre Rolle für die Pflanzengesundheit und Krankheitsresistenz zu untersuchen. Im Rahmen des Projekts MeStaLeM, das von den Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) unterstützt wurde, nutzte Paolo Stincone(öffnet in neuem Fenster), ein Postdoktorand, unter der Betreuung von Petras und Eric Kemen, Professor für Mikrobielle Interaktionen in Pflanzenökosystemen an der Universität Tübingen(öffnet in neuem Fenster), einige dieser technologischen Fortschritte, um die von pflanzenbesiedelnden Mikroben produzierten Substanzen zu untersuchen. Ziel der Forschung war es, eine synthetische mikrobielle Gemeinschaft zu schaffen, um die positiven Auswirkungen dieser Substanzen sowie die negativen Folgen eines Zusammenbruchs des pflanzlichen Mikrobioms zu ermitteln. „Unsere Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse über die molekularen Mechanismen, mit deren Hilfe blattassoziierte mikrobielle Gemeinschaften zur Pflanzengesundheit beitragen“, merkt Petras an.
Stabilisierung synthetischer mikrobieller Gemeinschaften
Im ersten Schritt kombinierten die Forschenden einen „Dropout-Ansatz“ mit einer synthetischen mikrobiellen Gemeinschaft. „Indem wir systematisch einzelne Mitglieder dieser Gemeinschaft aus dem künstlichen Mikrobiom entfernten, konnten wir Metaboliten und Mikroben identifizieren, deren Häufigkeit sich dramatisch veränderte, wenn bestimmte Mitglieder fehlten“, erklärt Stincone, der Leiter des Projekts MeStaLeM. „Dadurch konnten wir Metaboliten identifizieren, die bei den Wechselwirkungen in mikrobiellen Gemeinschaften eine wichtige Rolle spielen“, sagt er.
Zusammenarbeit von Mikroorganismen bei der Eisenaufnahme
Das Team stellte fest, dass einige dieser Metabolite, insbesondere Siderophore, die an der Eisenaufnahme beteiligt sind, entscheidend an der Gestaltung der Dynamik mikrobieller Gemeinschaften beteiligt sind. „Anstatt unabhängig zu agieren, können Mikroben von Stoffwechselprodukten anderer Mitglieder der Gemeinschaft profitieren. Dadurch entstehen Kooperationsnetzwerke, die zur Stabilisierung des Mikrobioms beitragen“, erläutert Stincone. „Diese Wechselwirkungen begünstigen nützliche Mikroorganismen, indem sie deren Fähigkeit verbessern, das begrenzt verfügbare Eisen auf den Blattoberflächen aufzunehmen, während gleichzeitig die Ansiedlung von Krankheitserregern durch verstärkten Wettbewerb um diesen essentiellen Nährstoff eingeschränkt wird.“ Bei dieser Kooperation arbeiten nützliche Mikroben zusammen, indem sie Moleküle austauschen, um Eisen zu gewinnen. Pflanzenpathogene Mikroorganismen hingegen sind dazu nicht in der Lage. „Dies bringt einen bisher unbekannten Mechanismus zutage, durch den das Mikrobiom der Phyllosphäre zur Pflanzengesundheit beiträgt“, bemerkt Stincone.
Förderung der Pflanzengesundheit der Zukunft
Die Projektergebnisse zeigen, dass wir die metabolischen Wechselwirkungen zwischen Mikroben unbedingt verstehen müssen, um die Funktion des Mikrobioms und die Krankheitsresistenz erklären zu können. Außerdem ergänzen diese Einblicke das vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) finanzierte Projekt DeCoCt(öffnet in neuem Fenster), in dem mithilfe von Langzeitfeldstudien und synthetischen mikrobiellen Gemeinschaften ökologisch relevante Mitglieder pflanzenassoziierter Mikrobiome identifiziert wurden. MeStaLeM ergänzt dies und zeigt auf, wie die durch Metaboliten vermittelte Kooperation zur Stabilität und Schutzfunktion nützlicher mikrobieller Blattgemeinschaften beitragen kann. „In Zukunft könnte dieses Wissen Forschenden dabei helfen, mikrobielle Gemeinschaften zu entwickeln, welche die Pflanzengesundheit fördern, oder Metaboliten zu identifizieren, welche die Aktivität nützlicher Mikroben steigern“, fügt Kemen hinzu. „Letztendlich könnten diese Ansätze zu nachhaltigeren Pflanzenschutzstrategien führen und die Abhängigkeit von chemischen Pestiziden verringern.“
