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Umwelt+Natur

Pflanzen bereiten sich ihren Mikroben-Boden

Die Forscher haben ihre Untersuchungen an der Acker-Schmalwand (Arabidopsis thaliana) durchgeführt – dem „grünen Versuchskaninchen“ der Pflanzenforschung. (Bild von Jungpflanzen auf Kulturmedium, Credit: Phil Robinson),

Wurzeln arbeiten am effektivsten unter Freunden: Spezielle Mikroben im Boden fördern bekanntermaßen das Pflanzenwachstum. Eine Studie belegt nun, wie Pflanzen dabei nicht dem Zufall überlassen, wer im Bereich ihrer Wurzeln haust: Sie geben über ihre Wurzeln spezielle Wirkstoffe ab, um die Mikrobengemeinschaften gezielt an ihre jeweiligen Ansprüche anzupassen. Die Forscher haben dies am Beispiel der Acker-Schmalwand (Arabidopsis thaliana) gezeigt – dem „grünen Versuchskaninchen“ der Pflanzenforschung. Da andere Pflanzen vermutlich ähnliche Strategien anwenden, könnten die Ergebnisse der Landwirtschaft zugutekommen, sagen die Forscher.

Pflanzen sind erstaunliche Wirkstofffabriken: Sie bilden eine Vielfalt von unterschiedlichen Substanzen, von denen viele wiederum spezifisch für die jeweilige Art sind. Sie erfüllen Funktionen, die für das Überleben der jeweiligen Spezies in ihrer ökologischen Nische wichtig sind. Vor allem in den Wurzeln werden spezielle Stoffe gebildet, von denen einige auch in der Medizin Anwendung finden. Doch welchem Zweck dienen diese teils komplizierten und aufwendig produzierten Substanzen den Pflanzen? Die aktuelle Studie lässt nun vermuten, dass einige in teils komplexer Weise der Optimierung des Clubs der Bodenmikroben dienen, die im Wurzelbereich leben.

Pflanzen haben Freunde im Boden

Es ist bekannt, dass bestimmte Bakterienarten und Pilze im Erdreich wichtige Partner der Pflanzen darstellen: Sie mobilisieren unter anderem Nährstoffe aus dem Boden oder unterdrücken die Ausbreitung potenzieller Krankheitserreger. Frühere Untersuchungen haben auch bereits gezeigt, dass Pflanzen gezielt Stoffe in den Boden abgeben, um dort Mikroben zu fördern. Über Details dieser Mechanismen und welche Stoffklassen dabei eine Rolle spielen, ist aber noch immer wenig bekannt.

In diesem Zusammenhang haben sich die Wissenschaftler um Anne Osbourn vom John Innes Centre in Norwich nun der Erforschung einer speziellen Substanzgruppe gewidmet: der Triterpene. Es handelt sich dabei um Stoffe, von denen einige bereits antibakterielle beziehungsweise antimykotische Wirkung gezeigt haben. Im Rahmen ihrer Studie haben die Wissenschaftler nun über 50 bisher unbeschriebene Triterpene von Arabidopsis aufgedeckt.

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Um zu untersuchen, ob diese Substanzen etwas mit der Entwicklung der Bodenmikroben im Wurzelbereich zu tun haben, erzeugten die Wissenschaftler Arabidopsis-Pflanzen, die in der Herstellung dieser Substanzen gezielt gestört waren. Diese Pflanzen wurden anschließend in Erde kultiviert. Dabei untersuchten die Forscher, wie sich die Mikrobengemeinschaften an den Wurzeln entwickelten und verglichen die Ergebnisse mit den Resultaten bei „normalen“ Kontrollpflanzen.

Substanz-Cocktails mit subtilen Effekten

Es zeigte sich: Die Artenzusammensetzung der Bodenmikroben unterschied sich zwischen den natürlichen und den veränderten Arabidopsis-Pflanzen deutlich. Mit anderen Worten: Offenbar haben die Substanzen tatsächlich einen Effekt auf die mikroskopischen Bewohner im Umfeld der Wurzeln. In weiteren Experimenten synthetisierten die Wissenschaftler dann viele der neu entdeckten Triterpene und testeten ihre Wirkung auf Gemeinschaften von im Labor kultivierten Mikroben. „So konnten wir zeigen, dass sehr kleine Unterschiede in der chemischen Struktur der Substanzen deutliche Auswirkungen darauf haben können, ob die Moleküle das Wachstum eines bestimmten Bakteriums hemmen oder fördern. Unterm Strich zeichnet sich ab, dass die Mixtur der unterschiedlichen Triterpene von Arabidopsis die Mikrobengemeinschaft sehr subtil und selektiv beeinflusst“, sagt der Erstautor der Studie Ancheng Huang.

Die Ergebnisse legen den Forschern zufolge nahe, dass verschiedene Pflanzenarten ihr jeweils spezielles Sortiment an Wirkstoffen entwickelt haben, um die mikrobiellen Gemeinschaften im Boden ihren spezifischen Bedürfnissen anzupassen. Das gilt vermutlich auch für landwirtschaftlich bedeutende Gewächse wie Reis oder Weizen. „Wir gehen davon aus, dass Pflanzen die Mikrobengemeinschaften zu ihrem eigenen Vorteil formen. Wenn wir verstehen, was genau eine Pflanze tut, welche Art von Mikroben reagieren und welche Vorteile sich daraus ergeben, können wir dieses Wissen möglicherweise nutzen, um Produktivität und Nachhaltigkeit zu steigern“, sagt Osbourn.

Diesem Forschungsthema wollen sich die Wissenschaftler nun auch weiterhin widmen. Der nächste Schritt soll nun darin bestehen, die Vorteile der Beeinflussung der mikrobiellen Gemeinschaft für die Pflanze genauer zu erforschen – etwa inwieweit es Effekte bei der Nährstoffversorgung oder bei Herausforderungen durch Krankheitserreger gibt.

Quelle: John Innes Centre, Science, doi: 10.1126/science.aau6389

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