„Haben Sie sich jemals Gedanken über das Leben auf einem Blatt gemacht?“ Die Forscherin des Great Lakes Bioenergy Research Center (GLBRC), Ashley Shade, stellt eine einfache Frage, die es jedoch wert ist, untersucht zu werden.
Der oberirdische Teil von Pflanzen, in dem sich Mikroben aufhalten, oder die Phyllosphäre, stellt die größte Umweltoberfläche auf der Pflanze dar. Ein Großteil dieser Fläche wird als kultivierte Landwirtschaft angebaut, und das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und den Mikroorganismen, die auf ihren Oberflächen leben, kann uns dabei helfen, landwirtschaftliche Bewirtschaftungsmethoden zu entwickeln, die die Produktivität und Widerstandsfähigkeit von Pflanzen steigern können.
In ihrer neu veröffentlichten Studie untersuchen die Mitarbeiter des Department of Energy Bioenergy Research Center des GLBRC und des Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI) die Komplexität des Lebens auf einem Blatt.
Mehrjährige Pflanzen wie Rutenhirse und Miscanthus sind ein entscheidendes Ziel für die nachhaltige Entwicklung von Biokraftstoffen. Mehrjährige Pflanzen liefern nicht nur große Mengen an Biomasse, die in Biokraftstoffe und Bioprodukte umgewandelt werden können, sondern bieten auch eine breite Palette von Ökosystemleistungen, die die Bemühungen zur Eindämmung des Klimawandels unterstützen, wie z. B. die Bindung von Treibhausgasen und die Förderung des Nährstoffkreislaufs im Boden.
Wie alle Pflanzen beherbergen Stauden eine Vielzahl von Mikroben, und viele dieser Mikroben kommen ihren Wirten zugute. Beispielsweise können einige pflanzenassoziierte Mikroben die Produktivität der Pflanze steigern und einen gewissen Schutz gegen Umweltstressoren wie Hitze und Trockenheit bieten. Aus diesem Grund ist das Management des Pflanzenmikrobioms ein vorgeschlagenes Instrument zur Förderung des Pflanzenwachstums und der Widerstandsfähigkeit, was angesichts des globalen Klimawandels besonders wichtig ist. Zusammen mit selektiver Züchtung und datengestützten Feldpraktiken soll das Mikrobiommanagement maßgeblich zur nachhaltigen Produktion von Biokraftstoff-Rohstoffen beitragen.
Verschiedene Teile einer Pflanze beherbergen verschiedene Mikroben. Viele Forscher haben in den letzten Jahren die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Mikroben untersucht, die in der Rhizosphäre – dem unterirdischen Bereich um die Wurzeln herum – stattfinden, die eine Schlüsselrolle bei der Fähigkeit einer Pflanze spielen, Wasser und Nährstoffe aufzunehmen. Die oberirdische Phyllosphäre, zu der auch die Blattoberflächen gehören, beherbergt jedoch auch einige sehr wichtige Mikroorganismen.
Es ist nämlich bekannt, dass Mikroben der Phyllosphäre eine Rolle im Kohlenstoffkreislauf spielen und Pflanzen vor schädlichen Krankheitserregern schützen. Da mehrjährige Biokraftstoff-Rohstoffe wie Miscanthus und Rutenhirse oft ausgewählt werden, um die Blattoberfläche zu maximieren, wird erwartet, dass das Verständnis des Mikrobioms der Phyllosphäre und der dort stattfindenden Pflanzen-Mikroben-Interaktionen eine sehr wichtige Rolle bei unserer Fähigkeit zur Verbesserung der Rohstoffproduktion spielen wird.
In der neu veröffentlichten Studie „Seasonal Activities of the Phyllosphere Microbiome of Perennial Crops“ verwendeten die Forscher hochmoderne Gensequenzierungs- und Bioinformatik-Tools, um zu identifizieren, welche Mikroben auf den Blättern von Bioenergiepflanzen leben und wachsen und wie diese Mikroben durchgängig auf Pflanzen reagieren die Vegetationsperiode.
Die Studie, erschienen in Naturkommunikation, wurde von Adina Howe, Forscherin für das CABBI-Nachhaltigkeitsthema, einer außerordentlichen Professorin für Agrar- und Biosystemtechnik an der Iowa State University, geleitet; und Shade von GLBRC, außerordentlicher Professor für Pflanzen-, Boden- und Mikrobenwissenschaften an der Michigan State University.
„Miscanthus und Rutenhirse sind dafür bekannt, gemeinsame Mikroben in der Phyllosphäre zu teilen“, sagte Howe. „In dieser Studie zeigen wir, wann sie aktiv wachsen und identifizieren, was sie tun. Diese Mikroben, die auf dem Blatt leben, können Naturstoffe biosynthetisieren, die für die Reaktion auf Pflanzenstressoren wichtig sein können.“
Um die Blattmikrobiome und ihre Dynamik während der Vegetationsperiode zu untersuchen, sammelten die Forscher von Mai bis November monatlich Switchgrass- und Miscanthus-Blattmikrobiome.
Aus diesen Proben sequenzierte das Forschungsteam die Metagenome und Metatranskriptome der Mikrobiome. Ein Metagenom ist eine Sammlung aller Gene, die bei Individuen in einer Gruppe gefunden werden können (dh der Pool von Genen, die möglicherweise exprimiert werden könnten), während sich ein Metatranskriptom speziell auf die Gene bezieht, die aktiv von Individuen in einer Gruppe exprimiert werden . Unter Verwendung von bioinformatischen Werkzeugen wurden die Metagenome und Metatranskriptome der Mikrobiome analysiert, wodurch die in der Phyllosphäre vorhandenen Mikrobenarten und ihre Genexpression während der Vegetationsperiode aufgedeckt wurden.
Diese Studie zeigt, dass Blattmikroben aktiv wachsen und Gene exprimieren, die verschiedene Metaboliten produzieren. Beispielsweise wurden Gene, die mit der Terpenproduktion assoziiert sind, häufig in der Phyllosphäre exprimiert. Terpene sind interessant, weil sie als Signalmoleküle in Pflanzen und Bakterien eingesetzt werden und dabei helfen können, Pflanzen vor Stress zu schützen. Terpene sind auch an der Regulierung der Produktion von Stickoxiden und Methan beteiligt, die starke Treibhausgase sind. Diese Studie ergab auch, dass verschiedene Gruppen von Mikroben in der Häufigkeit und Stoffwechselfunktion während der Vegetationsperiode variierten, was darauf hindeutet, dass sie möglicherweise auf unterschiedliche Pflanzenreize reagieren.
Insgesamt weist diese Forschung auf spezifische mikrobielle Funktionen hin, die für ein zukünftiges Pflanzen-Mikroben-Management anvisiert werden könnten, das zur Förderung des Pflanzenwachstums und der Widerstandsfähigkeit genutzt werden könnte.
Obwohl klein, könnte das Leben auf einem Blatt nur einer der Schlüssel zu einer nachhaltigeren Zukunft sein.
Zu den Co-Autoren dieser Studie gehören GLBRC-Teammitglieder und Mitarbeiter Nejc Stopnisek, Shane Dooley, Fan Yang und Keara Grady.
Mehr Informationen:
Adina Howe et al, Saisonale Aktivitäten des Phyllosphären-Mikrobioms mehrjähriger Pflanzen, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-36515-y