Mikroorganismen, die auf oder in Pflanzengewebe leben, bilden ein sogenanntes Pflanzenmikrobiom. Diese Schnittstelle spielt aufgrund der Existenz nützlicher Mikroorganismen eine wichtige Rolle für das Überleben der Pflanzen. Pflanzen, die in unterschiedlichen Umgebungen wachsen, können ähnliche Mikrobiome haben oder sich je nach Umweltfaktoren im Laufe der Zeit verändern. Diese komplexe mikrobielle Gemeinschaft entsteht und verändert sich durch den Austausch von Signalen zwischen Wirt und Mikroben.
In einer aktuellen Studie haben Forscher mithilfe einer Kombination rechnerischer Ansätze eine große Datenmenge gesammelt und gefiltert, um neue Mechanismen zu identifizieren. Anschließend nutzten sie Experimente, um diese Mechanismen zu validieren. Diese Datenanalyse führte zur Entdeckung eines Wirtstransportmechanismus und eines chemischen Signals, das die vorteilhafte bakterielle Besiedlung der Pflanzenwurzeln beeinflusst.
Die Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Aktuelle Biologie.
Im gesamten Lebensbaum kommen Mikrobiome durch einen komplexen Dialog zwischen Wirtspflanzen und ihren mikrobiellen Partnern zusammen. Diese Forschung trägt zum wissenschaftlichen Wissen über diese Dialoge bei. Die Studie hob hervor, dass Wirtspflanzen eine einzigartige Rolle dabei spielen, ein Molekül zu transportieren, das die Art und Weise beeinflusst, wie Mikroben Mikrobiome besiedeln.
Die Arbeit verwendete einen experimentellen Ansatz, um große Datensätze zu filtern. Dieser Ansatz wird die Fähigkeit der Forscher verbessern, neue chemische Signale zu identifizieren. Das Verständnis der Signalmoleküle, die an der zunehmenden Besiedlung durch nützliche Mikroben beteiligt sind, wird Wissenschaftlern dabei helfen, neue Wege zu finden, um Pflanzen dabei zu helfen, Krankheitserregern zu widerstehen und die Auswirkungen von Umweltstress zu reduzieren.
Um mikrobielle Taxa in jedem Sequenzdatensatz identifizieren zu können, erstellten die Forscher Kmer-Profile aus jedem öffentlich verfügbaren sequenzierten Genom. Unter Verwendung dieser Kmer-Profile mit ihrer ParaKraken-Codebasis auf dem Summit-Supercomputer im Oak Ridge National Laboratory analysierten sie metatranskriptomische Sequenzierungsdaten aus Blatt- und Xylemgewebe von etwa 500 Populus trichocarpa-Genotypen, die in einem gemeinsamen Garten angebaut wurden.
Mit diesem Ansatz konnten die Forscher Tausende von Mikrobenarten nachweisen, die in diesen Pflanzengeweben leben. Sie nutzten die Häufigkeit jeder Art als Phänotyp für eine genomweite Assoziationsstudie, um zu bestimmen, welche Pflanzengene wahrscheinlich die Besiedlung der einzelnen Mikrobenarten beeinflussen. Dies führte zu einem umfassenden Überblick über die Prozesse, die die Wirtspflanze nutzt, um bestimmte mikrobielle Arten in ihrem Mikrobiom auszuwählen.
Die Forscher fanden heraus, dass zwei verschiedene Mikrobenarten von beiden Myo-Inositol-Transportern im pflanzlichen Xylemgewebe (Stammgewebe) betroffen waren. Um diesen Befund weiter zu untersuchen, verwendeten sie die Modellpflanzenart Arabidopsis thaliana (ein kleines Senfkraut). Sie verwendeten vorhandene Arabidopsis-Linien, in denen diese Myo-Inositol-Transporter gelöscht worden waren, und maßen den Besiedlungsgrad der Arabidopsis-Keimlingswurzeln in den Knockout-Linien im Vergleich zu einer Kontrolle, die die Gene enthielt, in einem Labortest, bei dem die Sämlinge auf Agar gezüchtet wurden Platten.
Sie fanden heraus, dass die Arabidopsis-Linien ohne Myo-Inositol-Transporter einen deutlich geringeren Kolonisierungsgrad aufwiesen. Darüber hinaus wurden die Kolonisierungsniveaus wiederhergestellt, als die Forscher dem Wachstumsmedium in den Agarplatten Myo-Inositol hinzufügten. Sie fanden heraus, dass die bakterielle Besiedlung sowohl im Stammgewebe von unter Feldbedingungen gewachsenen Bäumen als auch in den Wurzeln von im Labor gezüchteten Senfkrautsämlingen durch die gleichen Gene gesteuert wird.
Dieser bemerkenswerte Befund weist darauf hin, dass dieser Mechanismus bei sehr unterschiedlichen Pflanzenarten stark erhalten bleibt. Die Forscher untersuchten außerdem die Wirkungsweise von Myo-Inositol, das als internes Signalmolekül in Pflanzen bekannt ist. Überraschenderweise fanden sie heraus, dass das Ausschalten von Genen in der pflanzlichen Signalkaskade keinen Einfluss auf die Kolonisierungsgrade in den Wurzeln von Arabidopsis hatte.
Myo-Inositol ist eine Zuckerart, die einige Bakterien als Nahrungsquelle nutzen können. Daher schalteten die Forscher den Abbauweg für Myo-Inositol in den Bakterien aus und stellten fest, dass dies auch keinen Einfluss auf die Kolonisierung hatte. Die Forscher fanden jedoch heraus, dass Myo-Inositol die Motilität (Schwimmfähigkeit) der Bakterien erheblich beeinflusste. Es scheint also, dass Pflanzen Myo-Inositol in einer noch nie zuvor untersuchten Rolle nutzen, nämlich als königreichübergreifendes Signalmolekül. Die Pflanze scheint also Myo-Inositol aus ihrem Gewebe zu pumpen, um bestimmte Bakterien dazu zu bringen, zu Pflanzenwurzeln zu schwimmen und diese zu besiedeln.
Diese Forschung hat eine konservierte Rolle für den Transport des Pflanzenmetaboliten Myo-Inositol als von Eukaryoten abgeleitetes Signalmolekül zur Modulation mikrobieller Aktivitäten entdeckt und bestätigt.
Mehr Informationen:
Bridget S. O’Banion et al., Pflanzen-Myo-Inositol-Transport beeinflusst die Phänotypen der bakteriellen Kolonisierung, Aktuelle Biologie (2023). DOI: 10.1016/j.cub.2023.06.057