Konkurrenz unter Bakterien sorgt für Wohlergehen von Pflanzen

Forschende haben chemische Strategien identifiziert, mit denen Bakterien Konkurrenten fernhalten und sich erfolgreich auf Pflanzen vermehren

Forschende des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam natürliche chemische Strategien identifiziert, die Bakterien nutzen, um Konkurrenten fernzuhalten und sich erfolgreich auf Pflanzen zu vermehren.

In den letzten Jahren ist die Mikrobiota – eine Gemeinschaft von Mikroorganismen, die hauptsächlich aus Bakterien und Pilzen besteht und in allen eukaryontischen Organismen, einschließlich Menschen, Tieren und Pflanzen, zu finden ist - aufgrund ihres Beitrags zur Gesundheit und zum Wachstum ihrer Wirte in den Fokus gerückt. Insbesondere die Wurzelmikrobiota von Pflanzen ist nachweislich wichtig für die Mineralienversorgung der Pflanzen, den Schutz gegen mikrobielle Schaderreger von Pflanzen und Toleranz gegenüber abiotischen Stressfaktoren wie Dürreperioden.

Das Verständnis der molekularen Mechanismen, die der Entstehung dieser mikrobiellen Gemeinschaften zugrunde liegen, ist ein Schlüssel für kontrollierte Eingriffe in die Mikrobiota zur Verbesserung ihrer nützlichen Leistungen für den Pflanzenwirt. Forscher haben in der Vergangenheit Pflanzen- und Umweltsignale identifiziert, die die Bildung der Mikrobiota an den Wurzeln beeinflussen, aber die mögliche Beteiligung einer Konkurrenz zwischen den Mikroben in diesem Prozess bleibt weitgehend unverstanden.

Bereits 1928 berichtete Alexander Flemming über die Hemmung zwischen zwei Mikroorganismen unter Laborbedingungen, verursacht durch Antibiotika. Die Identifizierung des Penicillins führte zu bahnbrechende Erfolgen in der modernen Medizin. In ähnlicher Weise ist die Produktion von Molekülen mit hemmender Wirkung bei einigen bodenbewohnenden und wurzelassoziierten Mikroorganismen bekannt, um mikrobielle Pflanzenpathogene in Schach zu halten.

Bakterium hemmt Konkurrenten

In dieser Studie verwendeten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine große Sammlung von Bakterien, die aus den Wurzeln der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) isoliert wurden, und untersuchten deren Fähigkeit, Moleküle mit hemmender Wirkung zu produzieren. Dies führte zur Identifizierung eines Bakteriums namens Pseudomonas brassicacearum, das eine ungewöhnlich hohe hemmende Aktivität auf viele andere Bakterien in der Wurzelmikrobiota ausübte.

Die Forschenden fanden heraus, dass diese Aktivität weitgehend durch zwei Moleküle vermittelt wird, die zusammenwirken, um die mikrobiellen Konkurrenten in Schach zu halten. Das erste Molekül ist ein antimikrobieller Wirkstoff namens 2,4-Diacetylphloroglucinol, während das zweite Molekül den essenziellen Mikronährstoff Eisen abfängt und ihn so seinen bakteriellen Konkurrenten stiehlt. Das Team verwendete dann P. brassicacearum-Mutanten, die so konstruiert wurden, dass sie die Produktion der beiden Moleküle blockieren, und testeten, ob sie für die Wurzelbesiedlung in Gegenwart von bakteriellen Konkurrenten relevant sind.

Um diese Hypothese zu testen, besiedelten sie Wurzeln von keimfreier Ackerschmalwand mit einer vereinfachten Bakteriengemeinschaft in Gegenwart von P. brassicacearum-Mutanten oder dem Wildtyp-Stamm. Das internationale Team konnte zeigen, dass diese beiden natürlichen Chemikalien - die von einem einzigen Bakterium produziert werden - nicht nur den Anteil der einzelnen Bakterienarten in der Wurzelmikrobiota verändern, sondern P. brassicacearum auch einen Vorteil bei der Besiedlung und Dominanz auf der Wurzel verschaffen.

Die Arbeit unterstreicht die Bedeutung der chemischen Abwehr zwischen Bakterien für eine erfolgreiche Besiedlung des Wirts. Diese Ergebnisse haben Auswirkungen auf die Entwicklung von Biologika in der Landwirtschaft, da sie eine Vorhersage der unter vereinfachten Laborumgebung beobachteten hemmenden Aktivitäten, auf die Anwendung im Feld erlauben. Dies ist ein weiterer Baustein auf dem Weg zur Entwicklung nachhaltigerer Pflanzenschutztechnologien und zum Verständnis der inneren Funktionsweise der pflanzlichen Mikrobiota. "Es ist erstaunlich, wie die Vielfalt der Naturstoffchemie von Mikroben eingesetzt wird, um mikrobielle Gemeinschaften zu gründen, die dann ihren Pflanzenwirten nützliche Dienste erweisen“, sagt Paul Schulze-Lefert.

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