Ein Cocktail aus Metaboliten für die unterirdische Kommunikation

Pflanzen stehen in ihrer Rhizosphäre mit einer Vielzahl an Bodenmikroorganismen wie Pilzen, Bakterien oder Protisten in Kontakt. Dabei ist es allerdings notwendig, dass Pflanzen zwischen Pathogenen und sie förderlichen Organismen unterscheiden können. Letztere können entweder die pflanzliche Abwehr unterstützen oder das Pflanzenwachstum, z.B. durch hormonelle Stimulation, bessere Nährstoffzufuhr oder erhöhte Toleranz fördern. Bei Pathogenbefall müssen in der Pflanze Abwehrmechanismen aktiviert werden, die mit einer Induzierung von Abwehrstoffen einhergehen. Gleichzeitig sollen jedoch nützliche Mikroben nicht abgeschreckt werden, sondern zur Wurzel geleitet werden. Daher ist es entscheidend, dass die Kommunikation in beide Richtungen präzise abgestimmt wird. Dies geschieht mit Hilfe spezifischer Metabolitencocktails, welche von der Pflanzenwurzel ausgeschieden werden und als Wurzelexsudate bezeichnet werden.

Pflanzen scheiden eine große Menge des fixierten Kohlenstoffs über ihre Wurzeln wieder aus

In unterschiedlichen Ansätzen wurde bisher versucht, die Zusammensetzung von Wurzelexsudaten zu analysieren, um zu verstehen, wie Pflanzen Mikroorganismengemeinschaften in ihrer Rhizosphäre prägen. Verschiedene analytische Techniken wurden eingesetzt und ergaben ein komplexes Bild der Metabolitenzusammensetzung, welches eine Reihe von Primärmetaboliten sowie unterschiedlichste Sekundärmetaboliten umfasst. Insgesamt scheiden Pflanzen etwa 5 – 25 % ihres fixierten Kohlenstoffs in den Boden aus. Insbesondere Zucker und Aminosäuren stellen eine wertvolle Nahrungsquelle für alle Bodenmikroorganismen dar, während die spezialisierten (sekundären) Metaboliten höchstwahrscheinlich die Hauptrolle in der spezifischen Interaktion mit Mikroben spielen. Bislang ist das Wissen über Exsudation jedoch nicht sehr tiefgreifend. Nur ein Teil der Komponenten ist identifiziert und Informationen hinsichtlich spezifischer Rekruitierungsstrategien sind rar.

Mikroorganismen mineralisieren im Boden organisch gebundene Nährstoffe

Mikroorganismen sind in der Lage anorganische Nährstoffe aus organischer Materie zu mineralisieren, die für ihr Wachstum förderlich sind, so z.B. Phosphat, Ammonium oder Sulfat. Diese Makronährstoffe sind essentiell für Pflanzen, die organische Nährstoffverbindungen nicht effizient nutzen können. Für diese Pflanzen bietet die Interaktion mit Mikroorganismen einen klaren Vorteil und sie haben verschiedene Strategien entwickelt, nützliche Mikroben an ihre Wurzeln zu locken.

Die Rekrutierung nützlicher Interaktionspartner bedarf spezifischer Signale

Wir in CEPLAS beabsichtigen Substanzen zu identifizieren, die notwendig für die Kommunikation von Pflanzen mit nützlichen Mikroorganismen sind. Dafür nutzen wir moderne analytische Techniken (Massenspektrometrie), die eine sensitive Detektion von Metaboliten erlauben. Arabidopsis thaliana dient dabei als Modellorganismus, da wir hier mit Hilfe von Mutanten genetische Faktoren mit Wurzelexsudat-Zusammensetzung und Unterschieden in der Mikrobeninteraktion korrelieren können. Auch setzen wir Pflanzen Nährstofflimitierung, z.B. für Nitrat, Phosphat und Sulfat aus, um spezifische Signale zu detektieren, die unter den gewählten Limitierungen ausgeschieden werden.
Es wird vermutet, dass insbesondere unter Nährstofflimitierung Pflanzen die mikrobielle Aktivität stimulieren und die Struktur der Mikrobengemeinschaft so beeinflussen können, dass schließlich die Nährstoffaufnahme gesteigert wird. Grundlegendes Verständnis über diese Mechanismen ist notwendig, um die Interaktionseffizienz und damit Düngestrategien zu verbessern, die zukünftig in einer nachhaltigen Landwirtschaft Anwendung finden können.