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Erde|Umwelt

Wie Mikroben Pflanzen vor Krankheiten schützen

Pseudomonas
Pseudomonas-Bakterien an der Spaltöffnung eines Pflanzenblatts. © Sonja Kersten/ Max-Planck-Institut für Biologie

Kleinste Lebewesen besiedeln nicht nur uns Menschen, sondern auch alle möglichen Pflanzenarten. Diese können daraus sogar einen Nutzen ziehen: Biologen haben herausgefunden, dass die Koexistenz von gutartigen und krankheitserregenden Bakterien auf den Blättern die Gesundheit der Pflanze verbessern kann. Dies könnte dazu beitragen, natürliche Alternativen zu synthetischen Pestiziden zu entwickeln.

Auf den Blättern von Pflanzen leben Mikroben, ähnlich wie auf der Haut oder im Darm des Menschen. Einige von ihnen können Krankheiten bei der Pflanze verursachen, doch auf den Blättern tummeln sich auch kommensale Bakterien. Diese haben weder positive noch negative Auswirkungen auf den Wirt, den sie besiedeln. Doch wie können Pflanzen so viele Mikroben beherbergen und trotzdem gesund bleiben?

Natürliche Infektionsabwehr untersucht

Diese Frage haben sich auch Or Shalev vom Max-Planck-Institut für Biologie in Tübingen und seine Kollegen gestellt. „In der Landwirtschaft werden viele Methoden wie der Einsatz von Pestiziden oder der Beschnitt von Pflanzen genutzt, um Krankheitserreger loszuwerden, daher ist es überraschend zu beobachten, dass viele Wildpflanzen in Harmonie mit ihren Erregern leben können“, erklärt Shalev. Die Wissenschaftler haben als Verantwortlichen die kommensalen Bakterien im Verdacht. Sie vermuten, dass diese möglicherweise einen Effekt auf ihre schädlichen Verwandten haben und somit die Pflanzen vor Krankheiten schützen.

Um diese Hypothese zu überprüfen, infizierten die Forschenden Pflanzen der Art Arabidopsis thaliana nur mit kommensalen Bakterien, nur mit schädlichen Erregern oder aber Mischung aus gutartigen und krankheitserregenden Pseudomonas-Stämmen. Alle untersuchten Bakterien stammten dabei aus derselben Gattung. Um die Situation in der Natur möglichst realistisch nachzustellen, pflanzte das Forschungsteam die Versuchsgewächse in einer Erde, die ihren natürlichen Standorten entsprach. Zusätzlich besprühten sie sie mit einer Suspension, welche die Übertragung von Bakterien durch Wind und Regen simulierte. Die Forschenden setzten die Pflanzen also auch anderen Bakterien aus als den Pseudomonas-Stämmen, die in dieser Versuchsreihe spezifisch untersucht werden.

Um die Entwicklung und Veränderung der Mikroben-Besiedlung im Zeitverlauf nachzuvollziehen, verwendeten die Forschenden das „Genome-Barcoding“, welches erlaubt, anhand einer bestimmten DNA-Sequenz der Bakterien den jeweiligen Stamm zu identifizieren.

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Bakterienmix fördert Gesundheit der Pflanzen

Die Ergebnisse zeigten, dass einige Bakterien tatsächlich die Pflanzengesundheit fördern: Bei einer Co-Infektion aus pathogenen und kommensalen Bakterien der Gattung Pseudomonas wuchs die Pflanze deutlich besser und es traten signifikant weniger krankmachende Bakterien auf. Bei den Testpflanzen hingegen, die man ausschließlich mit den schädlichen Pseudomonas-Stämmen infizierte, beobachtete die Forschenden eine deutlich höhere Zahl an pathogenen Bakterien und ein verlangsamtes Wachstum der Pflanze. ihren Angaben zufolge zeigt dies, dass sich die gutartigen Mikroben tatsächlich positiv auf die Gesundheit der Versuchspflanzen auswirkten.

Laut der Forschenden bedienen sich die kommensalen Bakterien dabei spezifischer Mechanismen, die dafür sorgen, dass sich ihre pathogenen Verwandten schlechter ausbreiten können. Sie beobachteten, dass die Besiedelung von kommensalen Pseudomonas eine Immunantwort der Pflanze stimulierte, welche das Wachstum ihrer verwandten Schädlinge unterdrückte. „Dies ist ein ungewöhnliches Ergebnis, da alle infizierten Bakterien aus derselben Gattung stammten und diese Immunreaktion nur speziell eine pathogene Linie adressierte. Dies ist ein Beleg dafür, wie spezifisch die von der Pflanze vermittelte Immunantwort war“, betont Shalev.

Kommensale im Team gegen Pathogene

Allerdings konnte diese Abwehr der Erreger nicht in allen Pflanzen nachgewiesen werden. Ob der Schutz vor pathogenen Pseudomonas funktioniert, hängt offenbar stark von den genetischen Eigenschaften der Pflanze und der auf ihr siedelnden Bakterien ab. Das Forschungsteam betont außerdem die Arbeit der kommensalen Bakterien im Team. „Ein weiterer wichtiger Aspekt unserer Arbeit war die Feststellung und Beschreibung einer vorhandenen kollektiven Schutzwirkung. Wir haben nicht einzelne Individuen als Akteure ausgemacht, sondern eine Synergie des Kollektivs“, erklärt Shalev.

Die neu gewonnenen Erkenntnisse könnten für die Landwirtschaft von großer Bedeutung sein. Noch müssen die Mechanismen genau verstanden werden, wie Pflanzen im Einklang mit Krankheitserregern zusammenleben können. Die Ergebnisse aus Anschlussstudien könnten jedoch der Schlüssel zur Entwicklung neuartiger Lösungen in der Landwirtschaft sein, um den Einsatz synthetischer Pestizide zu verringern.

Quelle: Max-Planck-Institut für Biologie Tübingen; Fachartikel: Nature Ecology & Evolution, doi: 10.1038/s41559-022-01673-7

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