Das Mikrobiom einer Wildpflanze ist viel widerstandsfähiger als angenommen

17. April 2018    Nr. 4/2018 (188)

Ihre Vielfalt und ihre Anpassungsfähigkeit schützen Bakteriengemeinschaften auf Pflanzen vor antimikrobiellen Substanzen

Das Mikrobiom, die Gesamtheit aller Mikroorganismen, die eine Pflanze, ein Tier, oder auch einen Menschen, besiedeln, ist wichtig für die Gesundheit und Überlebensfähigkeit dieser Lebewesen. In einer neuen Studie in der Zeitschrift eLife haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie untersucht, wie eine Pflanze reagiert, wenn das Zusammenspiel mit ihrem Mikrobiom gestört wird. Für ihre Experimente verwendeten sie Pflanzen des Kojotentabaks, die antimikrobielle Peptide (AMP) produzieren. Die Wissenschaftler zielten auf die nützlichen Bakterien der Pflanze, um deren Funktion in der Natur zu ergründen. Überraschenderweise ließen sich in drei Feldversuchen weder die Pflanzen noch ihre bakteriellen Partner davon beeindrucken, und die Forscher fanden keinerlei negative Auswirkungen bei AMP-produzierenden Pflanzen im Vergleich zu Kontrollpflanzen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die große Bakterienvielfalt in natürlichen Böden dafür sorgt, dass die Beziehung zwischen Pflanzen und ihrem Mikrobiom stabil bleibt.(eLife, 17. April 2018, DOI: 10.7554/eLife.28715).

Was ist die Funktion des Mikrobioms? Welche Rolle spielen Bakterien, die eine Pflanze aus dem Boden rekrutiert, für das Überleben der Pflanze, hier des Kojotentabaks Nicotiana attenuata, in der Natur? Verbessern sie die Nährstoffaufnahme, erhöhen sie das Wachstum und die Fortpflanzungsrate? Verleihen sie Widerstandskraft gegen Fraßfeinde, wie die Raupe des Tabakschwärmers Manduca sexta? Und was passiert, wenn die Pflanzen antimikrobielle Peptide exprimieren, die bestimmte bakterielle Partner abtöten? Wie die Ergebnisse dieser Studie zeigten: die Aktivität der Peptide lässt die Pflanzen und ihre bakteriellen Partner weitgehend unbeeindruckt. Grafik: Arne Weinhold, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie.

Ohne Mikroorganismen könnten wir Menschen nicht überleben. Insbesondere unsere „Darmflora“ stellt ein extrem dicht besiedeltes Ökosystem dar, in dem Billionen von Bakterien wohnen, die uns helfen Nahrung zu verdauen oder zu entgiften, uns mit Vitaminen versorgen, und vor allem unser Immunsystem beeinflussen. Auch Pflanzen haben ein sogenanntes Mikrobiom. Anders als bei Tieren und beim Menschen sind die mit einer Pflanze vergesellschafteten Mikroorganismen in erster Linie Bodenbakterien. Das Bodenmikrobiom haben Forscher auch als eine Art ausgelagertes pflanzliches Immunsystem bezeichnet. Aufgrund der enormen Komplexität dieser Mikrobiome ist es sehr schwierig für Wissenschaftler eine simple Einteilung in gute und schlechte Bakterien vorzunehmen, denn es gibt auch Bakterienarten, die sich unter bestimmten Umwelteinflüssen von nützlichen Partnern in Krankheitserreger verwandeln können.

Ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Ian T. Baldwin aus der Abteilung Molekulare Ökologie hat es sich nun zur Aufgabe gestellt, das Mikrobiom des Kojotentabaks Nicotiana attenuata genauer unter die Lupe zu nehmen. „Um das Mikrobiom zu verändern und die Auswirkungen dieser Veränderungen zu testen, machten wir uns die Expression von antimikrobiellen Peptiden zunutze. Unsere Pflanzen zeigten eine Aktivität gegen verschiedene Bakterienarten der Gattung Bacillus, die mehrheitlich nützlich für die Pflanzengesundheit sind. Wir hofften, dass diese transgenen Pflanzen im Feldversuch eingeschränktes Wachstum und eine verminderte Fortpflanzungsrate aufweisen würden. Damit hätten wir nachweisen können, wie wichtig diese Bakterien für die Pflanze sind. Doch zu unserer Überraschung zeigten sich unsere Versuchspflanzen als äußerst unbeeindruckt und es gab im Feldversuch keine Unterschiede zu den Kontrollpflanzen“, fasst Erstautor Arne Weinhold zusammen.

Ein Blick ins Detail und weitere Experimente deuten jedoch darauf hin, dass verschiedene Stämme der gleichen Bakterienart unterschiedlich anfällig gegenüber antimikrobiellen Peptiden sind. Diese Unterschiede können aber durch die derzeit genutzten Methoden zur Charakterisierung des Mikrobioms nicht erkannt werden. Die Forscher gehen daher davon aus, dass einzelne Stämme durch antimikrobielle Peptide beeinträchtigt wurden, doch die große Bakterienvielfalt im Boden ein großes Potenzial für neue Partnerschaften bietet. Das Mikrobiom kann also nicht so leicht durch eine gentechnisch veränderte Pflanze beeinflusst werden wie bisher angenommen.

Auf dem Versuchsfeld der Brigham Young University im Lytle Ranch Preserve des US-Bundesstaates Utah erforschen die Wissenschaftler der Abteilung Molekulare Ökologie die ökologischen Wechselwirkungen des Kojotentabaks Nicotiana attenuata in seinem natürlichen Lebensraum. Foto: Arne Weinhold, MPI chem. Ökol.

Tiere und Pflanzen bilden natürlicherweise antimikrobielle Peptide (AMP). Auch in unserem Darm werden antimikrobielle Peptide produziert. Da die meisten nützlichen Mikroben aus der menschlichen Darmflora von Natur aus resistent gegen die menschlichen antimikrobiellen Peptide sind, sorgen sie bei einer Entzündung dafür, dass die Darmflora im Gleichgewicht bleibt. In der Medizin werden antimikrobielle Peptide auch als mögliche Alternative für Antibiotika in Erwägung gezogen, um insbesondere Krankheitserreger zu bekämpfen die resistent gegen gewöhnliche Antibiotika geworden sind. Aber während antimikrobielle Peptide unter Laborbedingungen gegen einzelne Bakterienstämme höchst wirksam sein können, ist ihre Anwendbarkeit auf ganze Bakteriengemeinschaften in natürlichen Umgebungen eher fraglich und nicht gut untersucht. „Deshalb ist es so wichtig, Pflanzen nicht nur im Gewächshaus, sondern unter natürlichen Bedingungen, also in natürlichen Böden, in ihrem angestammten Lebensraum zu untersuchen. Laborexperimente, in denen Menschen die Variablen bestimmen, produzieren nur Ergebnisse innerhalb der Grenzen der menschlichen Vorstellungskraft. Experimente hingegen, die in der realen Welt, der Natur, durchgeführt werden, produzieren Resultate, die zwar schwer zu interpretieren sind, aber über die Grenzen des menschlichen Vorstellungsvermögens hinausgehen,“ sagt Studienleiter Ian Baldwin, der seit mehr als 20 Jahren die ökologischen Wechselwirkungen des Kojotentabaks in der Natur erforscht.

Die Erforschung des pflanzlichen Mikrobioms und seiner Auswirkungen auf Entwicklung und Gesundheit von Pflanzen, gestaltet sich als weitaus schwieriger und komplexer als gedacht. Die Jenaer Forscher planen weitere Experimente mit Tabakpflanzen, um herauszufinden, wie die Pflanzen Bodenbakterien rekrutieren, wie sie ihr Zusammenleben mit ihren bakteriellen Partnern aufrecht erhalten und wie sie verhindern, dass sie sich in schädliche Erreger verwandeln.


Originalveröffentlichung:
Weinhold, A., Dorcheh, E. K., Li, R., Rameshkumar, N., Baldwin, I.T. (2018). Antimicrobial peptide expression in a wild tobacco plant reveals the limits of host-microbe-manipulations in the field, eLife, DOI: 10.7554/eLife.28715
https://doi.org/10.7554/eLife.28715 


Weitere Informationen:
Prof. Ian T. Baldwin, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Straße 8, 07745 Jena, Germany, Tel. +49 (0)3641 571101, baldwin@ice.mpg.de 

Download von hochaufgelösten Fotos über http://www.ice.mpg.de/ext/downloads2018.html