Ein Blatt im Blatt: Die Photosynthese im Blatt wird manchmal nicht nur von der Pflanze alleine betrieben

Die Pflanze ist ein komplexes Ökosystem: die Pflanze selbst ist etwas, das jeder sehen und berühren kann, aber sie lebt von (meist unsichtbaren) schädlichen und vorteilhaften Mikroben umgeben. Pflanzenleben und Mikrobenleben sind so eng miteinander verbunden, dass neuere Studien den Begriff Holobiont geschaffen haben, um das Ensemble aller mikrobiellen Gemeinschaften plus der Pflanze zu beschreiben.
Viele andere Studien haben gezeigt, dass ohne den Beitrag von Mikroben die Pflanzengesundheit stark beeinträchtigt sein kann. Dies bedeutet, dass alle Nutzpflanzen wie Reis, Weizen, Soja usw. die richtigen mikrobiellen Gemeinschaften zur richtigen Zeit und am richtigen Ort brauchen, um gesund und produktiv zu sein. Aus diesen Gründen untersuche ich mikrobielle Gemeinschaften, die mit der Pflanze assoziiert sind: das Mikrobiom.
Natürlich bin ich nicht der erste, der sich diesem Thema widmet, und es wurden bereits viele neue Merkmale bezüglich der Steuermechanismen der Mikrobiominteraktion innerhalb des Holobionten entdeckt.

Einige Wissenschaftler haben jedoch kürzlich gezeigt, dass diese Rechnung nicht aufgeht. Sie haben darauf hingewiesen, dass die Mikroben, die bisher im Mikrobiom bekannt sind, alleine die beobachteten Phänomene nicht erklären können. Zum Beispiel wurde gefunden, dass ein sehr häufiger Erreger von Arabidopsis thaliana (eine Modellpflanze), der parasitische Eipilz (Oomycet) Albugo, trotz seiner sichtbaren Wirkung auf die Pflanze nur für die 10% der mikrobiellen Diversität verantwortlich ist. Andere Faktoren erklären weitere mikrobielle Variationen, aber für mehr als 40% der mikrobiellen Diversität gibt es noch keine Erklärung.

Ich stellte dann die Hypothese auf, dass diese Diskrepanz durch die Anwesenheit anderer Arten von Mikroben erklärt werden kann. Mikroben, die bisher vernachlässigt wurden. Ich nannte sie „dunkle mikrobielle Eukaryoten“, und mit diesem Namen meine ich alle eukaryotischen Mikroben, die keine Pilze, Pflanzen oder Oomyceten sind. Dies schließt eine unglaublich hohe Anzahl von Organismen ein, die in anderen Zusammenhängen gut bekannt sind, jedoch nie an der Pflanze untersucht wurden. Zum Beispiel Amöben, plasmodiale Parasiten, kleine Tiere oder Mikroalgen.
Was meine Ergebnisse kürzlich gezeigt haben, ist, dass Mikroalgen eine prominente Rolle bei der Gestaltung der Vielfalt von Bakterien und Pilzengemeinschaften, die mit der Pflanze assoziiert sind, spielen.

Um das besser zu verstehen, habe ich an verschiedenen Orten (Frankreich, Spanien, Schweden, Deutschland) und verschiedenen Ökosystemen (Parks, Klippen, Berge, sogar in Städten) Proben von natürlich vorkommenden Arabidopsis thaliana gesammelt. Und überall waren Algen vor allem auf der Blattoberfläche, aber auch im Inneren des Blattes, vorhanden.
Diese Ergebnisse werfen ein scheinbares Paradoxon auf: Was machen photosynthetische Organismen wie Algen auf einem Organismus, der der Archetyp der Photosynthese (die Pflanze) ist?
Um diese Frage anzugehen, habe ich einige Kandidaten der Mikroalgenarten näher untersucht. Was ich gefunden habe, ist, dass sie einen großen Teil dieser unbekannten Variation zu erklären scheinen, die zuvor noch nicht erklärt wurde. Einige dieser Kandidaten bilden anscheinend Flechten (Symbiosen mit Pilzen) auf der Blattoberfläche, andere aber auch im Blattgewebe. Weitere scheinen eng an einige Bakterien gebunden zu sein, was auf eine mutualistische Interaktion schließen lässt.

Diese Ergebnisse zeigen zum ersten Mal, dass die Mikrobiomwelt im Pflanzenholobiont viel gößer ist als erwartet und es noch zu erforschen gibt. Und indem wir die Ökologie von Mikroalgen, die mit Pflanzen in Verbindung stehen, untersuchen, könnten wir eines Tages ein substantielles Stück zum Pflanzen-Holobiont-Puzzle hinzufügen.

Die Erforschung des Holobionten ist etwas Faszinierendes, das nachweislich zu nachhaltigem Anbau und Nahrungsmittelproduktion beitragen kann. Es ist jedoch etwas Komplexes, das viel sehr unterschiedliche Expertise benötigt, die zusammenkommen muss: von der Ökologie bis zur Informatik, Statistik und Metabolomik. Im Gegenzug kann mein Feld etwas sein, das für viele Experten in verschiedenen Bereichen nützlich sein kann. CEPLAS war der perfekte Rahmen, um diese Studie anzugehen. Die Ausrichtung auf das Wissen in der nachhaltigen Landwirtschaft und die Präsenz vieler hochrangiger Fachleute und Experten auf diesem Gebiet haben mir sehr dabei geholfen, meine Ziele zu erreichen und einen Beitrag zu einem neuen Forschungsgebiet zu leisten.


Übersetzung: Alfredo Mari und Meike Hüdig, Molekulare Physiologie und Biotechnologie der Pflanzen, Heinrich Heine Universität Düsseldorf


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

Agler, M.T., Ruhe, J., Kroll, S., Morhenn, C., Kim, S.-T., Weigel, D., and Kemen, E.M. (2016). Microbial Hub Taxa Link Host and Abiotic Factors to Plant Microbiome Variation. PLOS Biol. 14, e1002352. [link]

Berendsen, R.L., Pieterse, C.M.J., and Bakker, P.A.H.M. (2012). The rhizosphere microbiome and plant health. Trends Plant Sci. 17, 478–486. [link]

Hassani, M.A., Durán, P., and Hacquard, S. (2018). Microbial interactions within the plant holobiont. Microbiome 6, 58. [link]

Über den Autor

Der Artikel wurde von Alfredo Mari geschrieben, der Mitglied des CEPLAS Doktoranden Programms ist. Mit metagenomischen Werkzeugen und molekularbiologischen Analysen möchte er Mechanismen der mutualistischen Wechselwirkungen zwischen pathogenen und nicht pathogenen Protozoen in Biofilmen, die das Blattmikrobiom prägen, verstehen.

 

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Forschungszentrum Jülich