Erste umfassende Sammlung von Pflanzenbakterien

Kein Organismus lebt f¨¹r sich allein. Auch Pflanzen nicht. Auf ihren Bl?ttern und Wurzeln leben komplexe Gemeinschaften von verschiedenen Bakterienarten. ?hnlich wie die nat¨¹rliche Darmflora dem Menschen bei der Verdauung von Nahrung hilft und ihn vor krankmachenden Mikroorganismen sch¨¹tzt, sind die Mikroorganismen vermutlich auch f¨¹r das Pflanzenwachstum und die Pflanzengesundheit von enormer Bedeutung.

Wissenschaftler der ETH Z¨¹rich und des Max-Planck-Instituts f¨¹r Pflanzenz¨¹chtungsforschung in K?ln haben nun einen Grossteil der Bakterienarten, die nat¨¹rlicherweise auf einer bestimmten Pflanzenart leben, inventarisiert und kultiviert. Die Forschenden f¨¹hrten ihre Untersuchung an der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) durch, einer Modellpflanze der Wissenschaft. Die Resultate der Arbeit sind soeben in der Fachzeitschrift Nature erschienen.

Erstmals haben die Forschenden eine umfassende Kollektion der Bakterienst?mme dieser Pflanzenart angelegt. Sie isolierten fast 10¡®000 Bakterienst?mme und w?hlten 432 f¨¹r weiterf¨¹hrende Studien aus. ?Wir waren ¨¹berrascht, dass sich mehr als die H?lfte der molekularbiologisch nachgewiesenen Arten auch im Labor kultivieren liessen?, sagt Daniel M¨¹ller, Doktorand in der Gruppe von ETH-Professorin Julia Vorholt und einer der Erstautoren der Studie. Bislang ging die Wissenschaft davon aus, dass etwa ein Prozent der nat¨¹rlich vorkommenden Mikroorganismen unter Laborbedingungen wachsen k?nnen. ?Diese Annahme haben wir in dieser Studie widerlegt?, sagt M¨¹ller.

Konstante Bakterienbesiedlung

In ihrer Studie fanden die Forschenden grosse ?hnlichkeiten zwischen den mikrobiellen Lebensgemeinschaften auf den Bl?ttern und den Wurzeln der Ackerschmalwand: Fast die H?lfte der je gut hundert verschiedenen Bakterienarten auf den Bl?ttern und in der Wurzel sind dieselben. M?glicherweise stammen der Grossteil der Wurzel- und der Blattbakterien urspr¨¹nglich aus der ausserordentlich vielf?ltigen Gemeinschaft von Bodenbakterien, und die Bl?tter der einj?hrigen Pflanze werden w?hrend des Wachstums vom Boden aus mit Mikroorganismen besiedelt.

Auch die Unterschiede zwischen verschiedenen Standorten in der Schweiz und in Deutschland, an denen die Forscher Wildpflanzen sammelten, sind klein. ?Den Grossteil der vorkommenden Arten haben wir an allen Standorten gefunden. Vieles spricht daf¨¹r, dass es konservierte Mechanismen gibt, die daf¨¹r sorgen, dass gewisse Bakterien auf Pflanzen wachsen k?nnen und andere nicht?, sagt Julia Vorholt, Professorin f¨¹r Mikrobiologie an der ETH Z¨¹rich. Sie leitete die Studie gemeinsam mit Paul Schulze-Lefert, Direktor am Max-Planck-Institut f¨¹r Pflanzenz¨¹chtungsforschung.

Voraussetzung f¨¹r Laborexperimente

Die Erforschung des Pflanzenmikrobioms ist eine noch relativ junge Wissenschaft. Bisher arbeiteten Forschende vor allem beschreibend. Indem die Wissenschaftler aus Z¨¹rich und K?ln eine Bakterien-Kollektion mit repr?sentativen St?mmen angelegt haben, k?nnen sie nun einen Schritt weitergehen: ?Dank dieser Bakterienisolate k?nnen wir die Vorg?nge in der Natur nun im Labor nachbauen, um dann gezielt und unter kontrollierten Bedingungen Experimente durchzuf¨¹hren?, sagt M¨¹ller. Dazu kultivieren die Forschenden die Bakterien auf keimfreien Pflanzen. In ersten solchen Wiederbesiedlungssexperimenten im Labor stellte sich auf den Pflanzen ein Gleichgewicht an Bakterien ein, das dem in der Natur ?hnlich war. ?Die Experimente waren reproduzierbar. Das heisst, dass unsere Bakterienkulturen und unser Ansatz f¨¹r diese Art von Experimenten geeignet sind?, sagt Vorholt.

In Zukunft k?nnten die Forschenden auf diese Weise beispielsweise die Rolle der einzelnen Bakterien f¨¹r das Wachstum und die Anf?lligkeit auf Krankheitserreger analysieren oder untersuchen, ob sich das Mikrobiom unter Stressbedingungen wie Trockenheit oder intensiver Sonneneinstrahlung ver?ndert. Im Freien w?ren solche Experimente nur schwer durchzuf¨¹hren, weil sie durch schwankende Umweltbedingungen zu stark beeinflusst w¨¹rden.

Mikroflora hilft Pflanzen

Wissenschaftler fanden bereits Hinweise darauf, dass N?hrstoffe den Pflanzen besser zur Verf¨¹gung stehen und die Pflanzen schneller wachsen, wenn sie von bestimmten Mikroorganismen besiedelt sind. Ausserdem gibt es Hinweise, dass sich Krankheitskeime schlechter auf einer Pflanze etablieren k?nnen, wenn bestimmte Bakterien auf der Pflanze anwesend sind.

Diesen nat¨¹rlichen Pflanzenschutz, der durch das Mikrobiom der Pflanzen unterhalten wird, zu verstehen, ist nicht nur eine Frage, die Forschende an Universit?ten in den letzten Jahren zu interessieren begann. Auch Saatgut- und Pflanzenschutzfirmen sind in diesem Forschungsfeld aktiv mit dem Ziel, in Zukunft nat¨¹rliche mikrobielle Pflanzenschutzmittel anbieten zu k?nnen.

ETH-Professorin Vorholt erhielt im Juni einen Advanced Grant des Europ?ischen Forschungsrats ERC. ?Mit dieser Unterst¨¹tzung und mit unserer neuen Bakteriensammlung wollen wir langfristig die Wechselwirkung zwischen den Pflanzen und den darauf lebenden Bakterien untersuchen?, sagt sie.