Die Genetik von Wirtspflanzen bestimmt, welche Mikroorganismen sie anziehen, wie eine Studie zeigt.

19. Dezember 2023

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von Ananya Sen, University of Illinois at Urbana-Champaign

Pflanzen entwickeln oft Gemeinschaften mit Mikroorganismen in ihren Wurzeln, was die Gesundheit und Entwicklung der Pflanzen beeinflusst. Obwohl die Rekrutierung dieser Mikroben von mehreren Faktoren abhängt, ist unklar, ob die genetische Variation der Wirtspflanzen eine Rolle spielt. In einer neuen Studie haben Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign diese Frage untersucht, und ihre Arbeit kann zur Verbesserung der landwirtschaftlichen Produktivität beitragen.

'Bisher haben Forscher nur untersucht, welche Art von Mikroben in Verbindung mit Pflanzen vorhanden ist, aber nicht, was die Bildung dieser Gemeinschaften antreibt und wie wir diese Treiber durch Pflanzenzüchtung kontrollieren können', sagte Angela Kent (CABBI), Professorin für natürliche Ressourcen und Umweltwissenschaften.

Mikroben bilden komplexe Gemeinschaften, sogenannte Mikrobiome, in und um die Wurzeln von Pflanzen. Die Wirtspflanzen können bestimmen, welche Mikroben in ihre Wurzeln eingeladen werden - bekannt als Endophyten - indem sie chemische Signale verwenden. Sie können auch die Bodeneigenschaften um die Wurzeln herum verändern, um zu beeinflussen, welche Mikroben um die Wurzeloberfläche oder Rhizosphäre wachsen können.

Um jedoch Pflanzen basierend auf den mit ihnen assoziierten Mikroben zu züchten, müssen Forscher zunächst verstehen, inwieweit Pflanzengenome das Rhizosphärenmikrobiom beeinflussen können.

Um diese Frage zu beantworten, untersuchten die Forscher zwei einheimische Silbergrasarten - Miscanthus sinensis und Miscanthus floridulus. Diese Pflanzen gelten als potenzielle Bioenergiepflanzen, da sie geringere Nährstoffkonzentrationen benötigen, um im Vergleich zu traditionellen Pflanzen mehr Wachstum zu erzielen.

Die Studie wurde an 16 Standorten in ganz Taiwan durchgeführt und umfasste eine Reihe von Umweltbedingungen wie heiße Quellen, Berggipfel und Täler, um alle möglichen Umweltextreme abzudecken. Die Forscher sammelten 236 Bodenproben aus der Rhizosphäre von zufällig ausgewählten Miscanthus-Pflanzen und isolierten auch das Mikrobiom in den Wurzeln.

'Obwohl das Ausmaß dieser Studie beispiellos war, haben wir die Bestimmungen zum Pflanzenschutz und zur Quarantäne beachtet. Wir haben die Proben in Taiwan verarbeitet, um die endophytische Mikrobenpopulation zu extrahieren und das Rhizosphärenmikrobiom zu sammeln', sagte Kent.

Die Forscher verwendeten zwei Arten von DNA-Sequenzierungstechniken in ihrer Studie. Die Mikrobiome in und um die Wurzeln wurden mithilfe der DNA-Sequenz von bakteriellen und Pilz rRNA-Genen identifiziert, wobei der Fokus auf dem Teil des Genoms lag, der für jede Art einzigartig ist. Die Variation im Pflanzengenom wurde mithilfe von Mikrosatelliten gemessen, die kleine wiederholende DNA-Stücke sind und sogar eng verwandte Pflanzenpopulationen unterscheiden können.

'Die Proben wurden vor 15 Jahren gesammelt, als das Projekt für die damaligen Sequenzierungsmöglichkeiten zu groß war. Mit dem Rückgang der Sequenzierungskosten konnten wir die Daten erneut untersuchen und das Mikrobiom genauer betrachten. Bei der Probenaufbereitung haben wir versehentlich auch PflanzendNA extrahiert und konnten diese als Ressource für die Genotypisierung unserer Miscanthus-Populationen verwenden', sagte Kent.

'Wir haben die Genomsequenzen des Wirts auf Erkenntnisse darüber untersucht, wie sie das Mikrobiom beeinflussen können', sagte Niuniu Ji, ein Postdoktorand im Kent-Labor. 'Ich habe entdeckt, dass die Pflanzen das Kern-Mikrobiom beeinflussen, was aufregend war.'

Obwohl Pflanzenmikrobiome sehr vielfältig sind, handelt es sich beim Kern-Mikrobiom um eine Sammlung von Mikroben, die in den meisten Proben einer bestimmten Pflanzenart gefunden werden. Diese Mikroben gelten als wichtige Akteure bei der Organisation, welche anderen Mikroben mit der Pflanze verbunden sind und bei ihrem Wachstum helfen.

Das Kern-Mikrobiom, das die Forscher in Miscanthus gefunden haben, enthielt stickstofffixierende Bakterien, die in anderen Studien bei Reis und Gerste gefunden wurden. Diese Mikroben spielen alle eine Rolle dabei, den Pflanzen dabei zu helfen, Stickstoff aufzunehmen, der ein lebenswichtiger Nährstoff für das Pflanzenwachstum ist. Die Rekrutierung von stickstofffixierenden Mikroben kann den Pflanzen dabei helfen, sich verschiedenen Umgebungen anzupassen, aber vor allem trägt diese Fähigkeit zur Nachhaltigkeit dieses Grases als potenzielle Bioenergiepflanze bei.

Andererseits hatte der Einfluss der genetischen Variation zwischen den Pflanzen einen geringeren Effekt auf das Rhizosphärenmikrobiom, das stärker von der Bodenumgebung beeinflusst wurde. Dennoch legten die Pflanzen einen größeren Schwerpunkt auf die Rekrutierung von Pilzen im Vergleich zu anderen Mikroben.

The researchers are interested in parsing out which genes play a role in influencing the microbiome. 'The microsatellites do not have a biological function and are not representative of the whole genome. It would be nice if we could sequence the whole Miscanthus genome and figure out how the genes affect nitrogen fixation,' Ji said.

'Crop breeding is based on yield. However, we need to take a wider look and consider how microbes can contribute to crop sustainability,' Kent said. 'The appeal of working with wild plants is that there is vast genetic variation to look at. We can identify which variants are good at recruiting nitrogen-fixing microbes because we can use fewer fertilizers on these crops. It's an exciting possibility as we embark on adapting these plants for bioenergy purposes.'

The study 'Host genetic variation drives the differentiation in the ecological role of the native Miscanthus root-associated microbiome' was published in Microbiome.

Journal information: Microbiome

Provided by University of Illinois at Urbana-Champaign