Welche Faktoren beeinflussen die mikrobielle Gemeinschaft eines Blattes?

Pflanzen sind ein wichtiger Lebensraum für eine Vielzahl von Mikroorganismen wie Bakterien, Pilze, Protisten und Archaeen, die einen großen Einfluss auf das pflanzliche Wachstum nehmen können. Beispielsweise helfen Mikroorganismen in der Erde der Pflanze, nicht verfügbare Nährstoffe aus dem Boden aufzunehmen und sie dadurch an ihrem Standort konkurrenzfähiger machen. Des Weiteren schützen Mikroorganismen auf der Oberfläche der Pflanze diese vor Schädlingsbefall und Krankheiten. Innerhalb der CEPLAS Forschungsabteilung C arbeiten wir daran die Struktur, Funktion und Ökologie der Wurzel- und Blatt-Mikrobiome zu charakterisieren. Fortschritte in diesem Forschungsbereich werden besonders dem Agrarsektor nutzen: Zur Vermeidung von Schädlingsbefall, sowohl pilzlichen als auch bakteriellen Ursprungs, müsste nicht mehr auf Pestizide und umweltbelastende Stoffe zurückgegriffen werden. Vielmehr könnte man synthetisch-stabile Mikroben-Pflanzen-Gemeinschaften erstellen oder durch bestimmte Stoffe die bereits vorhandene Gemeinschaft beeinflussen, um somit auf natürlichem Wege einen Ernteausfall zu vermeiden.
Vorherige Studien des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung konnten in diesem Zusammenhang einen interessanten Pilz identifizieren – eine bis heute nicht charakterisierte Pseudozyma Subspezies. Diese gehört übergeordnet zur Familie der Ustilaginomyceten und ist nah verwandt mit der Gattung Ustilago, deren Mitglieder Süßgräser verschiedener Arten, wie Mais oder Gerste, infizieren. Besonders auffällig erscheint an dieser Pseudozyma-Spezies, dass sie eine bedeutende Rolle für den Pflanzenschutz darstellt und uns helfen könnte zu verstehen, welche Faktoren benötigt werden um eine mikrobielle Gemeinschaft zu beeinflussen.

Von manchen Pseudozyma Spezies ist bereits bekannt, dass diese in der Lage sind Glykolipide zu produzieren, welche sich in die Membran von Mikroorganismen einlagern können und dadurch einen negativen Effekt auf deren Wachstum ausüben. Wird nun ein Organismus in seinem Wachstum gehindert, ergeben sich neue Strukturen innerhalb der Mikroben-Gemeinschaft und andere, zuvor schwächere Organismen können die neue ökologische Nische nutzen. Ebenso hat das Verschieben des vorherrschenden Gleichgewichts innerhalb der Gemeinschaft einen großen Einfluss auf den Metabolismus der Pflanze.
Zusätzlich interessant für uns ist ein Fakt, der sich aus der engen Verwandtschaft zu Ustilago Schädlingen ergibt: Aus vorherigen Studien im Bereich der Pflanzen-Pathogen-Interaktion wissen wir, dass Ustilago-Pilze Proteine in ihre Umwelt abgeben, die sogenannten Effektoren, welche direkt den Metabolismus der Pflanze beeinflussen. Während des Infektionsprozesses sind diese Proteine wichtig, um das Immunsystem der Pflanze zu unterdrücken und eine erfolgreiche Infektion zu ermöglichen. Jedoch können den meisten der circa 400 Proteine, die als potentielle Effektoren bezeichnet werden, noch keine Funktion zugeordnet werden.
In meinem Projekt werden wir anhand von Pseudozyma sp. zeigen, dass Effektoren mehr Funktionen besitzen als bisher von ihnen bekannt sind – und zwar nicht nur die Pflanze, sondern auch die mikrobielle Gemeinschaft auf dem Blatt zu beeinflussen. Um dieses Konzept zu beweisen werden wir die Gene identifizieren, die während der Kultivierung von Pseudozyma sp. zusammen mit bakteriellen Mitgliedern der Gemeinschaft angeschaltet werden und werden deren Funktionsweisen aufklären. Auf diesem Weg tragen wir dazu bei zu verstehen, welche Faktoren benötigt werden um eine mikrobielle Gemeinschaft zu beeinflussen und wie dieses Verständnis verwendet werden kann, um synthetische Gemeinschaften zu entwickeln.

Katharina Lentz, Botanisches Institut, Abteilung Terrestrische Mikrobiologie, Universität Köln

Planter’s Punch

Unter der Rubrik Planter’s Punch wird jeden Monat ein bestimmter Aspekt des CEPLAS Forschungsprogramms vorgestellt. Alle Beiträge werden von Mitgliedern der Graduiertenschule und des Postdoc Programms erstellt.

Zum Nachlesen

Buxdorf, K., et al. (2013). "The epiphytic fungus Pseudozyma aphidis induces jasmonic acid- and salicylic acid/nonexpressor of PR1-independent local and systemic resistance." Plant Physiol 161(4): 2014-2022 [Abstract]
Hammami, W., et al. (2011). "Ecological basis of the interaction between Pseudozyma flocculosa and powdery mildew fungi." Appl Environ Microbiol 77(3): 926-933. [Abstract]

Heinrich Heine University
University of Cologne
Max Planck Institute for Plant Breeding Research
Forschungszentrum Jülich