Wenn Sie auf einen Süßwasserteich blicken, sehen Sie vielleicht kleine grüne Pflanzen mit ovalen Blättern, die in Büscheln schwimmen. In überwucherten Teichen bedecken diese Pflanzen die Wasseroberfläche. Diese Pflanzen – Wasserlinsen oder Wasserlinsen genannt – können so schnell wachsen, dass sie ihre Zahl in nur ein bis zwei Tagen verdoppeln können. Was Sie in diesem Teich jedoch nicht sehen können, ist der evolutionäre Kampf zwischen den Pflanzen und den Mikroben, die versuchen, in sie einzudringen.
Pflanzen sind in hohem Maße von den Mikroben in ihrer Umgebung abhängig. Die Gemeinschaft von Bakterien, Viren, Pilzen und anderen Mikroben, die eine Pflanze beheimaten, wird als Mikrobiom bezeichnet.
Mikrobiome sind oft spezifisch für eine Pflanzenart an einem bestimmten Standort. Oft sind nützliche Mikroben Teil des Mikrobioms einer Pflanze. Gleichzeitig gibt es aber auch pathogene Mikroben, gegen die sich die Pflanzen verteidigen müssen. Wenn Wissenschaftler verstehen, wie sich Pflanzen gegen Krankheitserreger verteidigen – oder dies nicht tun –, können sie Mikrobiome besser manipulieren, um Bioenergiepflanzen zu nutzen.
Mit Unterstützung des Wissenschaftsbüros des Energieministeriums untersuchen Wissenschaftler, wie Bakterien mit den Hormonen von Pflanzen interagieren und deren Wachstum beeinflussen.
Ein evolutionärer Showdown
Eine der Verteidigungslinien der Pflanzen gegen Mikroben sind ihre Stomata. Stomata sind kleine Poren an Blättern, Stängeln, Blüten und Wurzeln von Pflanzen, die sich öffnen und schließen, um Kohlendioxid aufzunehmen und Sauerstoff und Wasser abzugeben. Sie wirken wie Tore zu einer Stadt. Genau wie Tore bilden Stomata eine physische Barriere gegen eindringende Bakterien. Die Pflanze verfügt über Hormone, die regulieren, ob die Schließzellen die Stomata offen oder geschlossen halten. Bestimmte Bakterien können dieses System jedoch hacken.
Ein weiterer wichtiger Akteur in diesem evolutionären Hin und Her sind Pflanzenhormone, die sogenannten Auxine. Auxine sind eine wichtige Hormonklasse, die das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen beeinflusst. Das in der Natur am häufigsten vorkommende Auxin ist die Indol-3-Essigsäure, kurz IAA.
Bei Pflanzen beeinflusst IAA die Zelllänge, die Reaktion der Pflanzen auf die Richtung der Schwerkraft und die Struktur der Wurzeln. Zum Schutz vor Krankheitserregern können Pflanzen die Auswirkungen von IAA verringern. Da Pflanzen sowohl wachsen als auch sich verteidigen müssen, ist es für sie wichtig, IAA bei Bedarf zu erhöhen oder zu verringern.
Doch wie so oft in der Evolution haben einige Bakterien eine Schwachstelle in dieser Abwehr gefunden. Bakterien, die in Verbindung mit Pflanzen vorkommen, produzieren ebenfalls IAA und zwar auf ähnliche Weise wie Pflanzen. Im Zuge dieses Prozesses entwickelten einige dieser Bakterien eine Möglichkeit, die IAA-Steuerung der Pflanzen zu umgehen. Sie produzieren genug IAA, um die chemischen Prozesse und das Wachstum der Pflanzen zu beeinflussen.
Pflanzen, deren Auxinbahnen von diesen Bakterien betroffen sind, bilden kürzere Primärwurzeln als solche ohne diese Bakterien. Sie bilden auch mehr Wurzeln, die parallel zur Erdoberfläche verlaufen, und haben mehr Wurzelhaare (die winzigen Wurzelzellen, die aus der Oberflächenschicht der Wurzel sprießen).
Einblick in den Prozess
Diese evolutionären Kämpfe sind mehr als nur ein ökologisches Wunder. Sie sind auch wichtig für die Produktivität von Bioenergiepflanzen, die landwirtschaftliche Produktivität und den Naturschutz. Die Erfassung, wie, wann und wo Bakterien Pflanzenhormone produzieren, kann Wissenschaftlern helfen zu verstehen, wie sich Pflanzen an veränderte Umgebungen anpassen.
Eine Steigerung der Produktion eines bestimmten Hormons im Mikrobiom einer Pflanze oder die Schaffung eines synthetischen Mikrobioms könnte Landwirten helfen, das Wachstum ihrer Pflanzen zu verbessern. Wenn Wissenschaftler wissen, wie Krankheitserreger das Wurzelwachstum und die Gesamtbiomasse beeinflussen, könnten sie diese Probleme beim Anbau dieser Pflanzen zur Herstellung von Biokraftstoffen vermeiden.
Um diesen Zusammenhang zu untersuchen, haben Forscher der Rutgers University, der University of Tennessee und der University of North Carolina in Chapel Hill studierte Wasserlinsen. Die als Wasserlinsen bekannte Pflanzengattung ist äußerst verbreitet und gut erforscht. Wissenschaftler verfügen über zahlreiche Informationen über ihre Genetik, einschließlich der Unterschiede in den DNA-Sequenzen zwischen verschiedenen Populationen von Wasserlinsen.
In einer früheren Studie untersuchte die Gruppe das Mikrobiom von Wasserlinsen in freier Wildbahn und stellte fest, dass es vielen gängigen Pflanzen ähnelte. Von den 47 Bakterienstämmen, die sie analysierten, produzierten fast 80 % Verbindungen, die IAA ähnelten. Mit Unterstützung von Wissenschaftlern des Environmental Molecular Sciences Laboratory (einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science) impfte das Team Wasserlinsensetzlinge mit 21 dieser Stämme.
Einige der behandelten Setzlinge entsprachen in ihrem Wurzelwachstum dem normalen „Wildtyp“. Einige Pflanzen hatten andere Bakterienstämme, die das aktive Auxin IAA produzierten. Bei diesen Pflanzen wuchsen die Wurzeln viel kürzer und verzweigten sich viel stärker. Ebenso waren Pflanzen, denen ein Gen fehlte, das erforderlich ist, um die Anwesenheit von Auxinen zu erkennen, weniger empfindlich gegenüber IAA als Wildtyppflanzen. Diese Pflanzen reagierten nicht auf die IAA-produzierenden Bakterien.
Aufdeckung der Invasion
Überraschenderweise beeinflussten nur vier der 21 Bakterienstämme das Pflanzenwachstum in der von den Wissenschaftlern erwarteten Weise. Nicht zufällig waren es diejenigen, die im Reagenzglas die meisten IAA produzierten. Es scheint, dass die übrigen zwar einige mit IAA verwandte Verbindungen produzieren konnten, die Mengen jedoch nicht ausreichten, um eine Reaktion der Pflanzen auszulösen. Diese vier schienen außergewöhnlich gut darin zu sein, die Abwehrmechanismen der Pflanzen zu überwinden.
Aber konnten diese Bakterien die Abwehrmechanismen durch die IAA überwinden oder gab es einen anderen Ansatz? Die Wissenschaftler diese Frage beantwortet indem sie die mutierten Pflanzen untersuchten, denen das Gen fehlte, das Auxin reguliert. Sie stellten fest, dass die Bakterien nicht einfach in die Pflanzenzellen eindringen und die mutierten Pflanzen besiedeln konnten. Offensichtlich hatten diese Bakterien einen Weg gefunden, das Auxinsystem zu ihrem Vorteil zu manipulieren.
Die nächste Frage war, wo die Bakterien hineingelangt waren. Die Stomata der Pflanzen sind zwar ein Abwehrmechanismus, aber auch eine Schwachstelle. Mithilfe spezieller Farbstoffe und Mikroskope fanden die Forscher in den Stomata der Wildtyp-Wasserlinsen jede Menge der eindringenden Bakterien. Im Gegensatz dazu befanden sich die meisten Bakterien in den mutierten Pflanzen auf der Oberfläche, wo sie die Stomata nicht erreichen konnten. Wie ein Eindringling, der die Wachen an den Toren einer ummauerten Stadt austrickst, nutzten die erfolgreichen Bakterien das Auxinsystem, um die Schließzellen auszutricksen.
Die Verfolgung auch nur eines kleinen Teils dieses evolutionären Tauziehens zwischen Pflanzen und Bakterien lässt darauf schließen, dass Pflanzen wahrscheinlich über mehrere Abwehrmechanismen gegen Bakterien verfügen, die IAA produzieren.
Während die Blätter und Stängel von Pflanzen über der Erde gut zu erkennen sind, bleibt ein ganzes komplexes System kooperativen und konkurrierenden Verhaltens verborgen. Indem Wissenschaftler diese Zusammenhänge aufklären, legen sie den Grundstein für einen nachhaltigeren Anbau von Pflanzen für Biokraftstoffe.