Es gibt viele Pilze und Bakterien, die in Symbiose mit Pflanzenwurzeln leben und sich gegenseitig bereichern. So können Pflanzen nur wachsen, weil sie mithilfe der Mikroorganismen über die Wurzel mit Nährstoffen und Wasser aus dem Boden versorgt werden. Diese vielfältige Gemeinschaft der Mikroorganismen, auch Mikrobiom genannt, schützt die Wirtspflanze gleichfalls vor schädlichen Organismen und ist daher ein Garant für die Pflanzengesundheit.

In einer internationalen Studie unter Leitung der Universität Bonn zeigen Forschende nun, dass nicht nur die Eigenschaften des Bodens, sondern auch das Erbgut der Wirtspflanze Einfluss auf die Zusammensetzung der Mikrobenvielfalt an der Pflanzenwurzel hat. Auch das Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) war an der Studie beteiligt, die im Fachjournal „Nature Plants“ veröffentlicht wurde.

Mehr als einhundert Maissorten untersucht

Die Forschenden untersuchten dafür insgesamt 129 Maissorten aus den verschiedensten Regionen der Erde, darunter Sorten, die im kühleren Hochland oder wärmeren Tiefland Südamerikas angebaut wurden und sich den jeweiligen Umweltbedingungen angepasst haben. Diese Sorten ließen die Forschenden dann jeweils sowohl unter normalen Bedingungen als auch unter Phosphor-, Stickstoff- und Wassermangel gedeihen. Hier zeigte sich, dass das Wurzelmikrobiom stark von Stressbedingungen wie Nährstoff- oder Wassermangel abhängt. Aber nicht nur das.

„Die jahrhundertelange Selektion von an das lokale Klima angepassten Maissorten führte dabei zu sehr unterschiedlichen Genotypen, die wir für die Studie nutzen konnten“, sagt Peng Yu, Leiter der Nachwuchsgruppe „Funktionelle Wurzelbiologie“ an der Universität Bonn. Wie das Team berichtet, wurde die DNA von Mikroben aus 3.168 Proben sequenziert. Dafür musste das Erbgut aus der hauchdünnen Schicht der Wurzeln entnommen werden.

Mithilfe von Methoden aus der quantitativen Genetik wurde für die Forschenden sichtbar, wie stark das Erbgut der Maispflanze die Zusammensetzung des Wurzelmikrobioms beeinflusst. „Dabei waren wir überrascht, welch großen Anteil die genetische Komponente an der Ausbildung des Mikrobioms hat“, sagt Yong Jiang, einer der Erstautoren der Studie und Wissenschaftler der IPK-Arbeitsgruppe „Quantitative Genetik“.

Maisgene interagieren mit bestimmten Bakterien

Demnach hatten Nährstoff- und Wassermangel durchaus Einfluss auf die Zusammensetzung des Wurzelmikrobioms. Das Mikrobiom der Maispflanzen war jedoch, trotz gleicher Stressbedingungen, sehr verschieden. „Wir haben nachgewiesen, dass bestimmte Maisgene mit bestimmten Bakterien interagieren“, erklärt Peng Yu. Schließlich konnte das Team anhand von Daten zu den Wuchsbedingungen am Herkunftsort einer bestimmten Maissorte und deren Erbanlagen sogar vorhersagen, welche Schlüsselorganismen im Mikrobiom an der Wurzel vorkommen.

Hier waren es Bakterien der Gattung Massilia, die besonders häufig vorkamen – aber nur, wenn die Pflanze unter Stickstoffmangel litt. Als die Forschenden die Maiswurzeln mit dem Bakterium Massilia impften, bildeten sich vermehrt Seitenwurzeln, wodurch sich Nährstoff- und Wasseraufnahme der Maispflanze deutlich verbesserten. Darüber hinaus fanden die Forschenden heraus, dass die Maiswurzel diese Bakterien mit Flavonen anlockt – einem Pflanzenfarbstoff, der mithilfe der Bakterien die Bildung von Seitenwurzeln stimuliert. „Voraussetzung dafür war aber, dass die Maispflanze über ein Mikrotubuli-bindendes Gen verfügte“, sagt Peng Yu.

Kenntnisse für Pflanzenzüchtung hilfreich

Die Erkenntnisse der Studie zur Rolle des Erbguts einer Pflanze bei der Zusammensetzung des Wurzelmikrobioms könnten nach Ansicht der Forschenden bei der Züchtung von Maispflanzen helfen, die an Dürre und Nährstoffmangel besser angepasst sind. „Sie können als Grundlage für die Untersuchung weiterer agrarökologischer Fragestellungen und für die Entwicklung neuer, besser an den Klimawandel angepasster Maissorten anhand der Genom- und Mikrobiomdaten dienen“, sagt Yong Jiang.

bb