Mit einem neuen Ansatz Licht auf verborgene Pflanzenmikroben werfen

Obwohl es auf der Erde mehr Mikroben als Sterne in unserer Galaxie gibt, wurde nur ein winziger Bruchteil davon entdeckt. Ein Ansatz namens Metagenomik – eine Art DNA-Sequenzierung – könnte Wissenschaftlern dabei helfen, mehr über diese schwer fassbaren Organismen zu erfahren, so Forscher der Penn State University.

Da Blätter bis zu 100 Millionen Bakterienzellen pro Gramm enthalten und der Raum um die Wurzeln einer Pflanze bis zu 1 Billion Bakterien enthält, haben Mikroben reichlich Gelegenheit, die Gesundheit einer Pflanze entweder zu unterstützen oder zu schädigen, sagte Verónica Román-Reyna, Assistenzprofessorin für Pathologie des globalen Wandels am College of Agricultural Sciences der Penn State. Die überwiegende Mehrheit dieser Mikroben kann jedoch nicht mit herkömmlichen Methoden untersucht werden.

Román-Reyna veröffentlichte kürzlich zusammen mit Sharifa Crandall, Assistenzprofessorin für bodenbürtige Krankheitsdynamik und -management an der Penn State, eine Papier über den Einsatz von Metagenomik Grenzen der Pflanzenwissenschaft. Penn State News sprach mit Román-Reyna darüber, warum die Entdeckung dieser mikrobiellen Gemeinschaften wichtig ist und wie Metagenomik helfen kann.

Warum ist es wichtig, diese mikrobiellen Gemeinschaften zu identifizieren und mehr über sie zu erfahren?

Pflanzenpathogene stellen eine Bedrohung für alle Pflanzen, einschließlich Nahrungspflanzen, dar und können die Ernährungsunsicherheit weltweit potenziell verschärfen. Nach Angaben des US-Landwirtschaftsministeriums können beispielsweise Pilzpathogene allein zu Ernteverlusten von 10 bis 20 % führen.

Bei der Untersuchung der Pflanzenpathologie geht es in der Regel darum, die Mikroorganismen zu identifizieren, die für die Krankheit verantwortlich sind – die Krankheitserreger. Es ist jedoch ebenso wichtig, den breiteren Kontext zu berücksichtigen, da der Krankheitserreger nicht nur mit der Pflanze, sondern auch mit dem Mikrobiom der Pflanze interagiert.

Wie der Krankheitserreger und die breitere mikrobielle Gemeinschaft interagieren, kann entweder die Fähigkeit des Krankheitserregers, die Pflanze zu infizieren, unterstützen oder umgekehrt einen Wettbewerb schaffen, der die Schwere der Krankheit begrenzt.

Daher kann das Verständnis der in der Wirtsumgebung vorhandenen mikrobiellen Gemeinschaften wertvolle Einblicke in die Dynamik der Krankheitsentwicklung und mögliche Strategien zur Krankheitsbekämpfung liefern.

Was ist Metagenomik?

Normalerweise werden Mikroben wie Bakterien und Pilze untersucht, indem jeder Organismus einzeln im Labor isoliert und kultiviert wird. Allerdings können die meisten Mikroben aus verschiedenen Gründen nicht auf diese Weise untersucht werden und blieben unsichtbar und unerforscht.

Metagenomik – die Untersuchung von genetischem Material, insbesondere DNA, die direkt von jedem Organismus in Umweltproben wie Blättern, Boden, Luft oder sogar Regenwasser gewonnen und auf Diversität, Struktur und Funktion analysiert wird – ist für uns eine Möglichkeit, dieses riesige, bisher unbekannte mikrobielle Präsenz in der Umwelt.

Dieser Ansatz ermöglicht es Forschern, gleichzeitig mehrere Mikroorganismen aus einer Großprobe zu analysieren und bietet so einen Überblick über die gesamte mikrobielle Gemeinschaft in einer bestimmten Umgebung, ohne dass jeder Organismus einzeln kultiviert werden muss.

Warum besteht die Notwendigkeit, diesen Ansatz in die pflanzenwissenschaftliche Forschung zu integrieren?

In der Pflanzenpathologie besteht die Möglichkeit, die Metagenomik aus zwei Perspektiven einzubeziehen: mikrobielle Ökologie und Krankheitsdiagnostik.

Aus mikrobieller Ökologiesicht hilft es uns, die mikrobiellen Interaktionen und Funktionen zu verstehen, die an Krankheiten beteiligt sind, einschließlich der Art und Weise, wie Mikroben kommunizieren und Gene austauschen, beispielsweise solche, die mit Antibiotikaresistenzen verbunden sind.

Aus diagnostischer Sicht ermöglicht uns die Metagenomik, die Vielfalt von Krankheitserregern zu beurteilen, Krankheitserreger zu verfolgen und sie an verschiedenen Standorten mit ähnlichen Krankheiten zu vergleichen. Es ermöglicht auch die schnelle Erkennung schwer zu kultivierender Krankheitserreger und bietet ein leistungsstarkes, unvoreingenommenes Werkzeug zur Identifizierung aller potenziellen Krankheitserreger in einer Probe.

Was kann die Metagenomik erreichen?

In der Pflanzenpathologie kann uns die Metagenomik helfen, die Gründe für den Ausbruch von Pflanzenkrankheiten zu verstehen, wie z. B. die Entstehung neuer Arten, das Wiederauftreten bekannter Mikroben, die Anpassung von Krankheitserregern an den Wirt oder Veränderungen, die die mikrobiellen Gemeinschaften von Pflanzen beeinflussen.

Es hat unsere Kapazität erweitert, die Erreger von Pflanzenkrankheiten und die Vielfalt der Krankheitserreger digital zu erfassen. Die Metagenomik ermöglicht es uns auch, Pflanzenkrankheiten zu untersuchen, ohne die Krankheitserreger vorher zu kennen, und überwindet so die Einschränkungen, die mit nicht kultivierbaren Organismen verbunden sind.