Eine aktuelle Studie hat enthüllt, wie Pflanzen und Bakterien Gene austauschen, um die Gesundheit und Entwicklung der Pflanzen zu fördern. Das Team entdeckte 75 Gene, die zwischen kleinen, schnell wachsenden Pflanzen (Arabidopsis thaliana) und ihren bakteriellen Begleitern übertragen wurden und wichtige Prozesse wie den Kohlenhydratstoffwechsel und die Hormonsynthese beeinflussten. Diese Entdeckung vertieft nicht nur unser Verständnis der Pflanzenbiologie, sondern eröffnet auch spannende Möglichkeiten, die Widerstandsfähigkeit und Produktivität von Nutzpflanzen durch fortschrittliche Biotechnologien zu verbessern.
Die Studie unter der Leitung von Dr. Asaf Levy vom Institut für Umweltwissenschaften der Hebräischen Universität in Zusammenarbeit mit Dr. Yulia Fridman, Dr. Hitaishi Khandal und Prof. Sigal Savaldi-Goldstein von der Fakultät für Biologie des Technion-Israel Institute of Technology enthüllt einen dynamischen horizontalen Gentransfer (HGT) zwischen verschiedenen Reichen, der unser Verständnis der Pflanzen- und Bakterienbiologie sowie der landwirtschaftlichen Praktiken revolutionieren könnte.
Die Arbeit ist veröffentlicht im Journal ISME-Kommunikation.
Pflanzen sind auf eine komplexe Bakteriengemeinschaft angewiesen, die für ihre Gesundheit und Entwicklung entscheidend ist. Das Forschungsteam stellte die Hypothese auf und bestätigte, dass die enge und langjährige Beziehung zwischen Pflanzen und ihrer Mikrobiota das seltene Phänomen des horizontalen Gentransfers ermöglicht, bei dem Gene direkt zwischen verschiedenen Arten übertragen werden.
In einer neuen Entdeckung identifizierten Dr. Levy und sein Team 75 einzigartige Gene, die horizontal zwischen Arabidopsis thaliana, einer häufig untersuchten Modellpflanze, und Bakterien übertragen wurden. Pflanzen erwarben im Laufe der Evolution 59 Gene von Bakterien und Bakterien erwarben mindestens 16 Gene von Pflanzen. Diese Gene verbessern in erster Linie den Kohlenhydratstoffwechsel und die Auxinbiosynthese, die für die Regulierung des Pflanzenwachstums und die Immunreaktionen von entscheidender Bedeutung sind.
So erwarb beispielsweise eine bestimmte Bakteriengruppe, Streptomyces, von Pflanzen ein Gen, das es ihnen ermöglicht, Chitin abzubauen, eine Verbindung, die bei Insekten und Pilzen weit verbreitet ist. Darüber hinaus identifizierte die Studie 111 Gene, die zwischen Bakterien und Eukaryoten im Allgemeinen (nicht notwendigerweise Pflanzen) übertragen wurden.
Darüber hinaus bestätigte die Studie diese Ergebnisse, indem sie zeigte, dass ein Bakteriengen aus dem Stamm der Actinobacteria, wenn es in Arabidopsis exprimiert wird, Wachstumsdefekte korrigierte, die mit der DET2-Genmutation der Pflanze in Zusammenhang stehen. DET2 ist für die Synthese eines Pflanzenhormontyps namens Brassinosteroid unerlässlich. Diese sind für das Wachstum und die Entwicklung der Pflanze von entscheidender Bedeutung.
Eine Pflanze, der das DET2-Gen fehlt, ist eine Zwergpflanze. Indem die Forscher jedoch das bakterielle homologe DET2-Gen in Pflanzen exprimierten, konnten sie eine Pflanze mit normaler Größe züchten. Damit zeigten sie, dass die beiden Gene dieselbe Funktion haben.
„Diese Studie beleuchtet die Komplexität der Interaktionen zwischen Pflanzen und Mikroben. Wir waren überrascht, dass Gene von Organismen erworben wurden, die so weit entfernt im Stammbaum des Lebens angesiedelt sind, wie etwa Bakterien und Pflanzen. Ein von Pflanzen erworbenes Bakteriengen muss einige Veränderungen durchlaufen, um in Pflanzenzellen aktiv zu sein. Es wird interessant sein, die Mechanismen zu untersuchen, durch die die Gene erworben und weiterentwickelt werden. Die Studie eröffnet neue Möglichkeiten für biotechnologische Anwendungen in der Landwirtschaft“, sagte Dr. Levy.
„Das Verständnis und die Nutzung dieser Gentransfers könnten zu innovativen Strategien führen, um die Widerstandsfähigkeit und Produktivität von Nutzpflanzen zu steigern, wenn wir verstehen, warum und auch wie bestimmte Gene übertragen wurden. Es ist auch faszinierend, ob Bakterien Gene mit anderen Organismen wie Tieren, einschließlich Menschen, austauschen.“
Da die globale Landwirtschaft durch Klimawandel und Bevölkerungswachstum vor immer größere Herausforderungen gestellt ist, sind Innovationen, die die Widerstandsfähigkeit und Produktivität der Nutzpflanzen verbessern, dringend erforderlich. Prognosen zufolge könnten Fortschritte bei der Interaktion zwischen Pflanzen und Mikroben die globale Nahrungsmittelproduktion potenziell deutlich steigern und so der wachsenden Nachfrage nach Nahrungsmittelsicherheit gerecht werden. Derzeit gibt der Agrarsektor jährlich Milliarden für die Bekämpfung von Pflanzenkrankheiten und Umweltbelastungen aus.
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Shelly Haimlich et al, Weit verbreiteter horizontaler Gentransfer zwischen Pflanzen und Bakterien, ISME-Kommunikation (2024). DOI: 10.1093/ismeco/ycae073