Die Genetik von Wirtspflanzen bestimmt laut Studie, welche Mikroorganismen sie anlocken

Pflanzen entwickeln häufig Gemeinschaften mit Mikroorganismen in ihren Wurzeln, was die Gesundheit und Entwicklung der Pflanzen beeinflusst. Obwohl die Rekrutierung dieser Mikroben von mehreren Faktoren bestimmt wird, ist unklar, ob die genetische Variation in den Wirtspflanzen eine Rolle spielt. In einer neuen Studie gingen Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign dieser Frage nach und ihre Arbeit kann dazu beitragen, die Produktivität der Landwirtschaft zu verbessern.

„Bisher haben Forscher nur untersucht, welche Art von Mikroben in Verbindung mit Pflanzen vorhanden sind, aber nicht, was die Bildung dieser Gemeinschaften antreiben könnte und wie wir diese Treiber durch Pflanzenzüchtung kontrollieren könnten“, sagte Angela Kent (CABBI). ), Professor für natürliche Ressourcen und Umweltwissenschaften.

Mikroben bilden in und um die Wurzeln von Pflanzen komplexe Gemeinschaften, sogenannte Mikrobiome. Die Wirtspflanzen können mithilfe chemischer Signale bestimmen, welche Mikroben – sogenannte Endophyten – in ihre Wurzeln eingeladen werden. Sie können auch die Bodeneigenschaften um die Wurzeln herum verändern, um zu beeinflussen, welche Mikroben um die Wurzeloberfläche oder Rhizosphäre herum wachsen können.

Um Pflanzen jedoch auf der Grundlage der Mikroben zu züchten, mit denen sie assoziieren, müssen Forscher zunächst verstehen, inwieweit Pflanzengenome das Mikrobiom der Rhizosphäre beeinflussen können.

Um diese Frage zu beantworten, untersuchten die Forscher zwei einheimische Silbergrasarten – Miscanthus sinensis und Miscanthus floridulus. Diese Pflanzen gelten als potenzielle Bioenergiepflanzen, da sie im Vergleich zu herkömmlichen Pflanzen geringere Nährstoffkonzentrationen benötigen, um ein stärkeres Wachstum zu erzielen.

Die Studie wurde an 16 Standorten in ganz Taiwan durchgeführt und umfasste eine Reihe von Umweltbedingungen wie heiße Quellen, Berggipfel und Täler, um alle möglichen Umweltextreme darzustellen. Die Forscher sammelten 236 Rhizosphären-Bodenproben von zufällig ausgewählten Miscanthus-Pflanzen und isolierten auch das Mikrobiom im Inneren der Wurzeln.

„Obwohl der Umfang dieser Studie beispiellos war, waren wir uns der Pflanzenschutz- und Quarantänebestimmungen bewusst. Wir haben die Proben in Taiwan verarbeitet, um die endophytische Mikrobengemeinschaft zu extrahieren und das Rhizosphären-Mikrobiom zu sammeln“, sagte Kent.

Die Forscher verwendeten in ihrer Studie zwei Arten von DNA-Sequenzierungstechniken. Die Mikrobiome in und um die Wurzeln wurden anhand der DNA-Sequenz von bakteriellen und pilzlichen rRNA-Genen identifiziert, wobei der Schwerpunkt auf dem Teil des Genoms lag, der für jede Art einzigartig ist. Die Variation im Pflanzengenom wurde mithilfe von Mikrosatelliten gemessen, bei denen es sich um kleine Stücke sich wiederholender DNA handelt, die selbst eng verwandte Pflanzenpopulationen unterscheiden können.

„Die Proben wurden vor 15 Jahren gesammelt, als das Projekt zu groß für die damaligen Sequenzierungskapazitäten war. Da die Kosten für die Sequenzierung sanken, konnten wir die Daten noch einmal überprüfen und einen genaueren Blick auf das Mikrobiom werfen. Während der Probenverarbeitung „Wir haben auch versehentlich Pflanzen-DNA extrahiert und konnten diese als Ressource für die Genotypisierung unserer Miscanthus-Populationen nutzen“, sagte Kent.

„Wir haben die Genomsequenzen des Wirts untersucht, um Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie sie das Mikrobiom beeinflussen können“, sagte Niuniu Ji, ein Postdoktorand im Labor in Kent. „Ich habe herausgefunden, dass die Pflanzen das Kernmikrobiom beeinflussen, was spannend war.“

Obwohl pflanzliche Mikrobiome sehr vielfältig sind, handelt es sich beim Kernmikrobiom um eine Ansammlung von Mikroben, die in den meisten Proben einer bestimmten Pflanzengruppe vorkommen. Es wird angenommen, dass diese Mikroben eine wichtige Rolle dabei spielen, welche anderen Mikroben mit der Pflanze in Verbindung stehen, und dass sie beim Wirtswachstum helfen.

Das Kernmikrobiom, das die Forscher in Miscanthus fanden, umfasste stickstofffixierende Bakterien, die in anderen Studien in Reis und Gerste gefunden wurden. Alle diese Mikroben tragen dazu bei, dass die Pflanzen Stickstoff aufnehmen, der ein lebenswichtiger Nährstoff für das Pflanzenwachstum ist. Die Rekrutierung stickstofffixierender Mikroben kann den Pflanzen helfen, sich an unterschiedliche Umgebungen anzupassen. Wichtig ist jedoch, dass diese Fähigkeit zur Nachhaltigkeit dieses Grases als potenzielle Bioenergiepflanze beiträgt.

Andererseits hatte der Einfluss der genetischen Variation zwischen den Pflanzen einen geringeren Einfluss auf das Mikrobiom der Rhizosphäre, das stärker von der Bodenumgebung beeinflusst wurde. Dennoch legten die Pflanzen im Vergleich zu anderen Mikroben einen größeren Wert auf die Rekrutierung von Pilzen.

Die Forscher möchten herausfinden, welche Gene bei der Beeinflussung des Mikrobioms eine Rolle spielen. „Die Mikrosatelliten haben keine biologische Funktion und sind nicht repräsentativ für das gesamte Genom. Es wäre schön, wenn wir das gesamte Miscanthus-Genom sequenzieren und herausfinden könnten, wie die Gene die Stickstofffixierung beeinflussen“, sagte Ji.

„Pflanzenzüchtung basiert auf Ertrag. Wir müssen jedoch einen umfassenderen Blick werfen und überlegen, wie Mikroben zur Nachhaltigkeit von Nutzpflanzen beitragen können“, sagte Kent. „Der Reiz der Arbeit mit Wildpflanzen besteht darin, dass es eine große genetische Variation zu untersuchen gilt. Wir können herausfinden, welche Varianten sich gut für die Rekrutierung stickstofffixierender Mikroben eignen, weil wir bei diesen Nutzpflanzen weniger Düngemittel verwenden können. Das ist eine spannende Möglichkeit, wenn wir uns auf den Weg machen.“ Anpassung dieser Pflanzen für Bioenergiezwecke.

Die Studie „Wirtsgenetische Variation treibt die Differenzierung in der ökologischen Rolle des einheimischen Miscanthus-Wurzel-assoziierten Mikrobioms voran“ lautete veröffentlicht In Mikrobiom.