Fonio (Digitaria exilis), eine Hirseart, ist die älteste einheimische Nutzpflanze in Westafrika und eines der am schnellsten reifenden Getreidearten. Trotz seines geringen Ertrags ist es aufgrund der Kombination aus schneller Reifung und Trockenheitstoleranz sowie seiner Fähigkeit, auf armen Böden zu gedeihen, ein nützliches Modell für das Verständnis, wie sich Getreide an zukünftige Klimawandelbedingungen anpassen kann.
Fonio sei ernährungsphysiologisch mit anderen Hirsearten vergleichbar, sagt KAUST-Forscher Naheed Tabassum, allerdings seien die Erträge viel geringer als bei den wichtigsten Getreidearten Reis, Mais und Weizen. Tabassum glaubt, dass Fonio die Grundnahrungsmittel angesichts der Herausforderungen des Klimawandels und der Wüstenbildung ergänzen könnte.
Tabassum und Kollegen unter der Leitung von Heribert Hirt und Simon Krattinger haben das Potenzial zur Verbesserung von Fonio durch Manipulation seiner Verbindung mit Bodenmikroben untersucht.
Pflanzen, die unter trockenen Bedingungen wachsen, assoziieren und interagieren mit Bakterien, die ihnen bei der Bewältigung abiotischer Herausforderungen helfen. Hirt und seine Gruppe sind Experten für Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Mikroben und deren Rolle für Pflanzenwachstum und -entwicklung, Nährstoffaufnahme und Schutz vor biotischem Stress.
„Pflanzen entwickeln sich in enger Interaktion mit mikrobiellen Partnern, was für ihr Überleben und ihre Fitness entscheidend ist“, sagt Hirt. „Da Samen das Hindernis für die vertikale Übertragung (von der Mutterpflanze) potenziell nützlicher mikrobieller Gemeinschaften darstellen, haben wir versucht, die Rolle des Fonio-Samen-Mikrobioms unter verschiedenen abiotischen Bedingungen zu entschlüsseln.“
Ihre Studie untersuchte die Endophytendiversität von Bakteriensamen in 126 vollständig sequenzierten genetischen Gruppen von Fonio-Akzessionen aus verschiedenen Standorten in Westafrika.
Die Rolle endophytischer Bakterien in Samen wurde mit dem Pflanzenwachstum und -schutz in Verbindung gebracht, die spezifischen Mechanismen müssen jedoch noch im Detail erklärt werden. Die Ergebnisse dieser Studie legen nahe, dass samenassoziierte Endophyten die Förderung des Pflanzenwachstums durch Nährstoffverfügbarkeit und -assimilation unterstützen. Frühere Studien haben gezeigt, dass Samenendophyten Biokontrollinhibitoren zum Schutz vor Krankheitserregern produzieren.
Bei der Analyse der Samenmikrobiome stellten die Forscher fest, dass Fonio-Hirse über verschiedene vererbbare endophytische Samentaxa verfügt. „Obwohl in Fonio unterschiedliche Mikrobiome von unterschiedlichen geografischen Standorten gefunden werden, teilen alle Fonio-Pflanzen eine Reihe von Mikroben, ein sogenanntes Kernmikrobiom, das wahrscheinlich wichtige Funktionen im allgemeinen Stoffwechsel dieses Getreides spielt“, sagt Hirt.
Um zu testen, ob Umweltfaktoren die Zusammensetzung der Samenmikrobiome beeinflussen, sammelten die Forscher an den Sammelstellen meteorologische und Bodendaten (Niederschlag, Temperatur, pH-Wert und Bodenstruktur). Sie fanden einen Zusammenhang zwischen mehreren dieser Parameter und der mikrobiellen Vielfalt, was darauf hindeutet, dass Umweltfaktoren die mikrobielle Zusammensetzung und die generationsübergreifende Übertragung beeinflussen können.
„Die Samenschale und das Speichergewebe stellen unterschiedliche Mikrohabitate dar“, erklärt Tabassum. „Die vertikale Übertragung von Mikrobiota zur Stärkung der Nachkommen einer Pflanzenart eröffnet eine neue technologische Anwendung in der Pflanzenzüchtung.“
„Saatgut-Mikrobentechnik könnte für gezielte Metaboliten oder zur Herstellung antimikrobieller Verbindungen eingesetzt werden, um die Pflanzenbiomasse und den Ertrag unter Stress zu verbessern“, sagt sie.
Die kürzlich veröffentlichte Studie liefert einen Machbarkeitsnachweis zur Erklärung der Zusammensetzung und Vielfalt der samenassoziierten Mikrobiome von Fonio an verschiedenen Standorten.
Das Team führte ihrer Meinung nach eine Weltneuheit durch und führte genomweite Assoziationsstudien (GWAS) der 126 Fonio-Akzessionen durch, um genetische Loci zu identifizieren, die mit der Vielfalt der Samenendophyten verbunden sind. Dies führte zur Identifizierung einer Reihe bekannter und neuer Gene, die offenbar die Vielfalt der mikrobiellen Gemeinschaften in verschiedenen Fonio-Akzessionen beeinflussen, was darauf hindeutet, dass verschiedene Fonio-Gruppen auch die Zusammensetzung ihrer Samenmikrobiome genetisch regulieren.
„Obwohl die Saatgut-Mikrobiom-Forschung noch in den Kinderschuhen steckt, zeigt unsere Arbeit, dass sie großes Potenzial hat, unser Verständnis der Wechselwirkung zwischen Pflanze, Mikrobiom und Umwelt sowie bei der Saatgut-Mikrobiom-Technik von Nutzpflanzen voranzutreiben“, sagt Hirt.
„Diese Studie identifizierte das Samenmikrobiom als potenzielles Ziel für die nachhaltige Verbesserung der Widerstandsfähigkeit von Nutzpflanzen gegenüber Klimastress“, schließt er.
Die Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Mikrobiom.
Mehr Informationen:
Naheed Tabassum et al., Wirtsgenotyp, Bodenzusammensetzung und geoklimatische Faktoren prägen das Fonio-Samen-Mikrobiom. Mikrobiom (2024). DOI: 10.1186/s40168-023-01725-5