Im menschlichen Darm siedeln zahlreiche Mikroorganismen, die für die Gesundheit wichtig sind. Ähnlich wie die sogenannte Darmflora für den Menschen sorgen Mikroorganismen an den Pflanzenwurzeln dafür, dass der Pflanze Nährstoffe und Wasser zur Verfügung stehen und sie vor Krankheitserregern geschützt sind.

Ein Forschungsteam der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) und des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung (MPIPZ) in Köln hat nun die dreidimensionale Struktur von Pflanzenwurzeln genauer untersucht. Die Forschenden wollten klären, ob auch die Mikroflora an den Pflanzenwurzeln – ähnlich wie die Darmflora – in verschiedene Abschnitte unterteilt ist, wie sich die Mikrobengemeinschaft zusammensetzt und wie dies die Stoffwechselaktivitäten beeinflusst.

Räumlichen Unterschiede der Wurzelmikroflora aufdecken

Die räumlichen Unterschiede der Wurzelmikroflora wurden anhand der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) untersucht. Dabei kam ein sogenannter Multi-omics-Ansatz zum Einsatz, bei dem verschiedene Analysemethoden genutzt wurden:  die „Transkriptomik“ zur Analyse aller in einer Zelle abgelesenen RNA-Moleküle, die „Metabolomik“ zur Untersuchung des Stoffwechselnetzwerks sowie Methoden der Synthetischen Biologie und der Bioinformatik.

Parallel dazu entwickelten die Forschenden zwei experimentelle Anzuchtsysteme, mit denen sie die Wurzelmikrobiota von Arabidopsis analysierten: CD-Hüllen-Rhizotrone und ArtSoil-Wachstumsmedien.

SWEET-Zuckertransporter identifiziert

Wie das Team in der Fachzeitschrift „Cell Host & Microbe“ berichtet, konnte es mithilfe dieser beiden Systeme „eine räumliche Differenzierung der Mikroflora entlang der Längsachse der Wurzel organisierter Mikrobiota“ sowie eine entsprechende Differenzierung pflanzlicher Metabolite und der Stoffwechselaktivitäten nachweisen. „Mithilfe von bioinformatischen und genetischen Methoden identifizierten wir drei sogenannte SWEET-Zuckertransporter, die zur Verteilung von Zucker und anderen Stoffwechselprodukten entlang der Wurzel beitragen. Diese Transportmoleküle sind für die räumliche Besiedlung durch Wurzelbakterien erforderlich“, so die Hauptautorin der Studie, Eliza Loo vom Institut für Molekulare Physiologie der HHU.

Beitrag zum verbesserten Pflanzenschutz

Der Blick in die dreidimensionale Struktur der Pflanzenwurzeln machte es möglich, das komplexe Netzwerk zwischen Mikroben und der Modellpflanze hinsichtlich ihres Stoffwechsels zu entschlüsseln. „Die Erkenntnisse können dazu beitragen, die mikrobiellen Gemeinschaften zu optimieren und damit einen verbesserten Schutz der Pflanzen vor Krankheitserregern und so eine bessere Pflanzengesundheit zu erreichen“, sagt Paloma Durán vom MPIPZ und die zweite Hauptautorin der Studie.

Als Nächstes sollen die Studien auf wichtige Nahrungspflanzen wie Gerste ausgeweitet werden. „Um die räumliche Besiedlung des Wirts-Mikrobioms zu verstehen, wird noch eine wesentlich detaillierte Analyse der 3D-Biogeographie sowohl der Pflanze als auch der mikrobiellen Spezies notwendig sein. Unsere nun veröffentlichte Publikation legt die Basis für derartige Arbeiten“, sagt Wolf Frommer, Leiter des HHU-Instituts für Molekulare Physiologie und Korrespondenzautor.

bb