26. Januar 2021

Wie winzige Lebewesen die Nährstoffaufnahme von Pflanzenwurzeln beeinflussen Wie winzige Lebewesen die Nährstoffaufnahme von Pflanzenwurzeln beeinflussen

Pflanzenwurzeln nehmen Wasser und Nährstoffe aus dem Boden auf. Wie und in welchem Maß sie das tun, hängt auch davon ab, welche Mikroorganismen die Wurzeln umgeben. Ein internationales Forschungsteam unter Federführung der University of North Carolina at Chapel Hill (USA), der University of Nottingham (England) und unter Beteiligung der Universität Bonn hat diesen Zusammenhang untersucht.

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Symbolbild © COLOURBOX.de
Für die gezielte Nährstoffaufnahme haben sich in der Evolution von Tieren und Pflanzen spezialisierte Barrieresysteme entwickelt, welche die unkontrollierte Verteilung von Stoffen verhindern. Bei Säugetieren sind die Saumzellen der Darmschleimhaut über sogenannte „Tight Junctions“ fest miteinander verbunden und alle Zwischenräume abgedichtet. So können die Membranen der Saumzellen bestimmen, welche Nährstoffe im Darm aufgenommen werden. Die Zusammensetzung der Mikroorganismen im Darm, die Darmflora, beeinflusst diese Funktion. Konzeptionell ähnlich sind in Pflanzenwurzeln Barrieren um eine innere Haut, die Endodermis, angesiedelt. 
 
Bei Pflanzen gibt es zwei Arten von Barrieren an der Endodermis: Sogenannte Casparysche Streifen, die nach ihrem Entdecker Robert Caspary benannt sind, der 1856 unter anderem Direktor des Herbariums an der Universität Bonn war. Diese Streifen umgürten als Ring aus Holzstoff (Lignin) die Endodermiszellen und versiegeln die Zellzwischenräume. Eine ähnliche Funktion erfüllen Suberinablagerungen, korkähnliche Biopolymere in der Zellwand, welche wie eine Dämmschicht die gesamte Zelloberfläche umhüllen. Wegen dieser Barrieren können von der Endodermiszelle kontrollierte Transportprozesse festlegen, welche Stoffe in die Pflanze aufgenommen werden beziehungsweise an die Außenseite in den Boden abgegeben werden. Inwieweit sich Mikroorganismen im Boden und diese Barrieren gegenseitig beeinflussen, war bisher unbekannt.
 
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erforschten an genetisch bestimmten Varianten von Pflanzenwurzeln des Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) die Auswirkung unterschiedlicher Ausprägungen und Defekte dieser Barrieren auf Bodenbakterien. In einem umgekehrten Ansatz untersuchte das Team 416 verschiedene, aus dem Boden isolierte Bakterienstämme, auf ihre Fähigkeit, die Funktion des Casparyschen Streifens und der Suberinablagerungen zu manipulieren. Außerdem kreierten die Forschenden aus 41 repräsentativen Bodenisolaten speziell gestaltete, synthetische Bakteriengemeinschaften, um die molekularen Mechanismen dieser Wechselwirkung aufzuklären. Ergänzend analysierten sie mit diesen Bakteriengemeinschaften die Auswirkungen der Bodenbakterien auf Mineralstoffgehalt und Pflanzenwachstum auch unter Mangelbedingungen. 
 
Dabei zeigte sich, dass die Eigenschaften der Barrieren in den Pflanzenwurzeln die Zusammensetzung der umgebenden Mikroorganismen, die Wurzelmikrobiota, beeinflussen. Umgekehrt können aber bestimmte Bakterienarten auch die Regulation dieser Barrieren verändern, insbesondere die für den Nährstofffluss bedeutende Suberinablagerung. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Fähigkeit der Wurzelbakterien, die Wirkung des Phytohormons Abscisinsäure zu manipulieren, welches seinerseits auf die Suberinsynthese wirkt. Die Bakterien hatten so einen Einfluss darauf, welche Mineralien in Pflanzen angereichert werden beziehungsweise fehlen. Erstaunlicherweise bewirkte die durch Bakterien vermittelte Veränderung der Suberinbarriere auch eine bessere Akklimatisierung an gewisse Nährstoffmängel oder Umweltstress. Bei Phosphat- und Zinkmangel sowie auch Salzstress wuchsen Pflanzen mit den synthetischen Bakteriengemeinschaften an ihren Wurzeln deutlich besser, als Pflanzen ohne Wurzelbakterien. 
 
„Diese Entdeckung hat potenzielle Anwendungen in der Pflanzenernährung und Landwirtschaft“, sagt Mitautor und Privatdozent Dr. Rochus B. Franke vom Institut für Zelluläre und Molekulare Botanik (IZMB) der Universität Bonn. Veränderte Mineralstoffgehalte, Ertragsteigerungen und Stresstoleranzen in Nutzpflanzen lassen sich durch Beimpfung mit geeigneten Bodenbakterien möglicherweise schneller erreichen als durch langjährige Züchtungsstrategien. „Langfristig ließ sich damit auch die Nahrungsmittelproduktion sowie die Lebensmittelqualität und -sicherheit verbessern“, ist Dr. Franke überzeugt. 
 
Publikation: Salas-Gonza´lez et al.: Coordination between microbiota and root endodermis supports plant mineral nutrient homeostasis, Science 371, Internet: https://doi.org/10.1126/science.abd0695
 
Kontakt: 
 
Privatdozent Dr. Rochus B. Franke 
Institut für Zelluläre und Molekulare Botanik (IZMB) 
Universität Bonn
Tel. +49-(0)228/7365252130
Mikroskopische Aufnahme vom Querschnitt durch die Arabidopsiswurzel:
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