Neue Publikation zum Aufbau der Mikrobiota
Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Aufbau der Mikrobiota durch vergleichbare ökologische Prinzipien gesteuert wird, die zwischen Landpflanzen und einzelligen Grünalgen den Chlorophyten erhalten geblieben sind.
Landpflanzen rekrutieren komplexe Mikrobengemeinschaften aus ihrer Umgebung. Diese Mikrobiota bestehen hauptsächlich aus Bakterien und Pilzen, die die Oberfläche und das Innere der Wurzeln und Blätter besiedeln. Diese Partnerschaften werden bei verschiedensten Pflanzenarten beobachtet und unterstützen die Pflanzen beispielswiese durch verbesserte Nährstoffaufnahme oder Schutz vor Krankheitserregern. Dies hat zu der Hypothese geführt, dass die Fähigkeit, sich mit bestimmten Mikroben zu assoziieren, eine entscheidende Innovation war, die Pflanzen vor etwa 450 Millionen Jahren benötigten, um das Land zu erobern. Eine Studie unter der Leitung des CEPLAS-Forschungsleiters Dr. Ruben Garrido-Oter am MPIPZ liefert nun den Beweis, dass die Fähigkeit, solche Partnerschaften einzugehen, nicht auf Landpflanzen beschränkt ist, sondern auch bei mikroskopischen photosynthetischen Organismen im Boden zu finden ist, deren Mikrobiota denen ihrer entfernten Verwandten auffallend ähnlich sind. Die Studie, in der die Ergebnisse beschrieben werden, wurde jetzt in Nature Communications veröffentlicht.
Das Forschungsteam unter der Leitung der Postdocs Dr. Paloma Durán und Dr. José Flores-Uribe untersucht einen möglicherweise uralten Prozess des Aufbaus der Mikrobiota. Dazu verwendeten sie zwei verschiedene Modellorganismen, Arabidopsis thaliana ein Bedecktsamer und die einzellige Grünalge Chlamydomonas rheinhardtii, um den Aufbau der Mikrobiota auf evolutiv weit entfernte photosynthetische Organismen zu untersuchen. Indem sie beide Organismen nebeneinander in natürlichem Boden kultivierten, konnten die Wissenschaftler*innen zeigen, dass Chlamydomonas in der Lage ist, eine mikrobielle Gemeinschaft aus dem umgebenden Boden zu rekrutieren, die denen der Wurzeln von Arabidopsis sowie anderer Landpflanzen, einschließlich Bärlapp, Farne, Nacktsamer und verschiedener anderer Bedecktsamer, bemerkenswert ähnlich ist. Um diese Gemeinschaften, die als Phykosphären-Mikrobiota (analog zu den Wurzel- und Rhizosphären-Mikrobiota der Landpflanzen) bezeichnet werden, weiter zu charakterisieren, isolierten und sequenzierten die Autoren die Genome einer großen Anzahl von Bakterienstämmen. Anhand dieser Sammlung von Mikroben entwickelten die MPIPZ/CEPLAS-Forscher*innen synthetische mikrobielle Gemeinschaften, die den Aufbau der ursprünglichen Mikrobiota mit geringerer Komplexität widerspiegeln, so genannte synthetische Communities kurz "SynComs". Diese SynComs stellen ein neues und vielseitiges Instrument dar, um komplexe Prozesse, wie Wirt-Mikroben-Interaktionen, experimentell zu betrachten. Indem sie Pflanzen und Algen unter sterilen Bedingungen mit verschiedenen SynComs besiedeln ließen, stellten die Autor*innen fest, dass sich die Bakterien der Phykosphäre und Rhizosphäre auf beiden Wirten zu ähnlichen Gemeinschaften zusammenschließen. Bemerkenswerterweise bildeten Arabidopsis-Pflanzen und Chlamydomonas-Algen auch dann noch ähnliche Mikrobiota, wenn die SynComs zwischen den Wirten ausgetauscht wurden, was ein Beispiel für die Komplementierung der Mikrobiota zwischen sehr unterschiedlichen Organismen darstellt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Mechanismen, die die Interaktion zwischen photosynthetischen Wirten und nützlichen Umweltbakterien vermitteln, zumindest teilweise von einzelligen Algen bis hin zu Pflanzen konserviert sind - Organismen, die durch einen evolutionären Abstand von mindestens 500 Millionen Jahren getrennt sind.
"Bisher war zwar nicht klar, ob Algen im Boden ihre eigene Mikrobiota aufbauen können", sagt Dr. Durán, Mitautorin der Studie, "aber das ist vielleicht auch nicht verwunderlich, wenn man bedenkt, dass sie wie Landpflanzen beträchtliche Mengen an organischem Kohlenstoff aus der Photosynthese an die Umgebung abgeben. Diese Verbindungen sind eine wichtige Nahrungsquelle für die Organismen, die sich im Boden ansiedeln, und stellen häufig eine Grenze für mikrobielles Wachstum dar. Die Sekretion dieser Nebenprodukte der Photosynthese könnte daher ein zentraler und möglicherweise ursprünglicher Mechanismus für die Interaktionen zwischen photosynthetischen Wirten und Mikroorganismen sein. Der Erstautor der Studie, Dr. Flores-Uribe, ist jedoch der Ansicht, dass dies möglicherweise nicht die ganze Geschichte ist: "Eine der größten Überraschungen kam, als wir nachzuweisen versuchten, dass die Bereitstellung von sekretierten Verbindungen für den Aufbau der Phykosphäre ausreicht". Zu diesem Zweck entwickelten die Autor*innen ein experimentelles System, in dem Algen- und Bakterienzellen getrennt werden konnten, wobei der Austausch von Metaboliten weiterhin möglich war. "Die Ergebnisse dieser Experimente entsprachen nicht unseren Erwartungen und zeigten, dass für die Bildung der Algenmikrobiota auch physische Nähe erforderlich ist". Während sich künftige Untersuchungen auf die Bestimmung der genauen Mechanismen konzentrieren werden, die diese Phänomene antreiben, stellt diese Arbeit einen Meilenstein dar, der Licht auf die Struktur und die Funktionen von terrestrischen Phykosphären und die Evolution von Pflanzen-Mikrobiota-Assoziationen wirft.
Text: Christian-Frederic Kaiser, Rozina Kardakaris & Neysan Donnelly