Wie lassen sich Stoffwechsel-Interaktionen zwischen Pflanzenwurzeln und assoziierten Bakteriengemeinschaften darstellen?


 

Pflanzen sind zwar stationär, sind aber weit davon entfernt statische Systeme zu sein. Sie reagieren auf eine Vielzahl von biotischen und abiotischen Reizen und müssen sich entweder schnell auf temporäre Bedingungen oder langfristig auf evolutionär-bedingte Zwecke anpassen. Tatsächlich haben Pflanzen die unterschiedlichsten Umweltstandorte besiedelt und ökologische Nischen eingenommen, sie waren bei diesem Kampf ums Überleben und um Anpassung jedoch nicht alleine.

Die Erde ist vor etwa 4.5 Milliarden Jahren entstanden und die ersten Formen des Lebens waren kaum mehr als ein paar Stücke RNA. Prokaryoten (Bakterien) tauchten vor mindestens 3.5 Milliarden Jahren zum ersten mal auf, als die Erdatmosphäre sich noch stark von unseren heutigen Verhältnissen unterschieden hat. Das Aufkommen der Die Bakterien hat die Biogeochemie der Erde langsam verändert und ermöglichte so schließlich das Leben, wie es vor etwa einer halben Milliarde Jahren entstanden ist, während der sogenannten “Kambrischen Explosion”.

Wenn man bedenkt, dass Bakterien einige Milliarden Jahre älter sind als Landpflanzen und dass Pflanzen nicht isoliert vorkommen (außer einige in extrem sauberen Laboren!!) kann man schließen, dass sich die Pflanzen in einer biotischen Umgebung entwickelt haben. Daher ist es auch nicht weiter verwunderlich, dass sie in manchen Bereichen auf Bakterien angewiesen sind, z.B. bei der Versorgung mit Mineralien.

Aber auch Bakterien müssen essen, und wenn sie nicht gerade Photosynthese betreiben können (was nur ein kleiner Prozentsatz kann, z.B. die Cyanobakterien), brauchen sie externen Quellen für Kohlenstoff, den Pflanzen häufig gerne bereit sind zu liefern.

Manchmal gipfelt dieser Austausch von Nährstoffen in symbiotischen Beziehung die altmodischen Liebesgeschichten ähneln. Hülsenfrüchtler aus der Medicago Familie (e.g. Medicago truncatula) bilden Knöllchen in ihren Wurzeln um ihre Lieblings-stockstofffixierenden Bakterien zu beherbergen. So bieten sie einen bequemen Platz wo die Bakterien geschützt vor externen Konkurrenten und Umwelteinflüssen gedeihen können. Ich werde hier nicht argumentieren ob das wahre Liebe ist oder Ausbeutung aber es besteht ein großes Forschungsinteresse daran, die Prinzipien zu verstehen die uneigennützigem Verhaltens zugrunde liegen.

Nicht alle Bakterien haben jedoch das Glück freier Kost und Logis zu bekommen, die meisten müssen kämpfen um einen freien Platz am Kohlenstoff-Buffet zu ergattern, welches freundlicherweise von den Pflanzen angeboten wird. Ob dieses Buffet das Ergebnis von hingebungsvollem Kochen ist, oder eher ein zufälliger Klumpen von Resten und Krümeln, wissen wir immer noch nicht mit Sicherheit.

Ein Ziel meiner Arbeit ist, besser zu verstehen, welche Eigenschaften die freien Plätze am Buffet, auch ökologische Nischen genannt, haben. Außerdem möchte ich besser verstehen wie diese Eigenschaften die Zusammensetzung und Stabilität der Bakterien-Gruppe formen können. Ganz ehrlich, keiner sitzt gerne neben dem Freund der immer das letzte Stück Pizza klaut, oder?1 Und wenn genau dieser Freund dann auch noch neben jemandem sitzt, der dieses letzte Stück Pizza wirklich sehr, sehr gerne gehabt hätte, ist die Chance sehr hoch, dass es Ärger gibt und einer (oder beide) von der Party fliegen.

Dann ist es natürlich auch so, wenn man möchte, dass der Gastgeber sich gut um einen kümmert, kommt man nicht mit leeren Händen zur Party. Wen mag die Pflanze wohl lieber, jemanden der billiges Bier bringt, oder jemanden der eine schöne Flasche Cabernet Sauvignon dabei hat?2

In meiner Arbeit erforsche ich auch, wie unterschiedliche Bakterien in unterschiedliche stoffwechselbedingte Nischen passen. Um die Komplexität der Pflanzen-Mikroben-Umwelt Interaktion zu verstehen, ist der erste Schritt die Komplexität zu verringern und leistungsfähige Werkzeuge zu benutzen. Ich benutze computerbasierte Methoden, die die Informationen aus bakteriellen Genomen in ein Modell des Stoffwechsel-Netzwerks übersetzen und sie dann mit mathematischen Formeln darstellen. Mit diesen sogenannten „Stoichiometric Genome-Scale Metabolic Network Models“ kann ich die stoffwechselbedingten Einstellungen des Organismus in einer bestimmten Umwelt identifizieren. Indem ich schrittweise die externen Bedingungen verändere, kann ich unterschiedliche Schnappschüsse von metabolischen Zuständen zusammensetzen und mich einer dynamischen Antwort auf eine sich verändernde Umwelt annähern.

Weiteres Ziel meiner Forschung ist, das Wissen von gemeinschaftlichen Verhaltensweisen in dynamischen Nischen zu untersuchen um “Rezepte” für bakterielle Cocktails zur Verbesserung der Pflanzenernährung zu entwickeln.

Mein Kollege Richard Jacoby hat in einem vorherigen Planter’s Punch bereits erklärt, wie diese bakteriellen Cocktails in landwirtschaftlichen Systemen genutzt werden können. Vor diesem anspruchsvollen Ziel ist es wichtig, sich noch einmal ins Gedächtnis zu rufen, dass Nutzpflanzen in offenen Feldern angebaut werden, nicht unter kontrollierten Laborbedingungen. Deshalb sollten wir nicht nur Bakterien zusammenbringen, die gut für die Pflanze sind, sondern auch Bakterien, die gut miteinander auskommen und die äußere Störungen aushalten können. In anderen Worten: Wir müssen die Party in Gang bringen und zusehen, dass sie am Laufen bleibt!

 

 

1 Das ist eine weitere Version der “Oliven-Theorie” des Comedian Paul Rieser und wurde bekannt durch die Sendung “How I met your mother”.

2 Disclaimer: Ich mag Pizza und guten Wein wirklich sehr gerne, jegliche Ähnlichkeit mit Personen und Begebenheiten sind jedoch rein zufällig.

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

Review and perspective on mathematical modeling of microbial ecosystems.  SuccurroEbenhöh. Biochemical Society Transactions (2018) [link]

A Diverse Community To Study Communities: Integration of Experiments and Mathematical Models To Study Microbial Consortia. Succurro, Moejes, Ebenhöh. Journal of Bacteriology (2017) [link]

Planter's Punch Richard Jacoby[link]

Über die Autorin

Der Beitrag wurde von Antonella Succurro verfasst, die am CEPLAS Postdoc Programm teilnimmt. Antonellas Arbeit befasst sich mit den stoffwechselbedingten Interaktionen zwischen Pflanzenwurzeln und der mit der Wurzel assoziierten Bakteriengemeinschaft.

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