Kooperation und Konflikt bei Pflanzensymbionten verstehen

Die traditionelle Idee der Symbiose – langfristige Interaktionen zwischen zwei Organismen – ist, dass die Beteiligten sich gegenseitig begünstigen. Forscher haben jedoch darüber diskutiert, ob die Interessen der Symbionten immer mit den Wirten übereinstimmen, die sie bewohnen, oder ob Gene, die Symbionten nutzen, möglicherweise auf Kosten ihrer Wirte gehen. Eine neue Studie untersucht diese Frage durch Genomsequenzierung und Infektion von Pflanzenwirten mit ihren mikrobiellen Symbionten.

„Es ist offensichtlich geworden, dass die Gesundheit von Pflanzen und unsere eigene Gesundheit von den Mikroben bestimmt wird, mit denen wir interagieren. In der Landwirtschaft gibt es zum Beispiel eine große Bewegung, die versucht, Mikroben so zu manipulieren, dass sie glücklichere Pflanzen machen“, sagte Katy Heath (IGOH), an außerordentlicher Professor für Pflanzenbiologie. „Unser Ansatz ist ein wenig anders, weil wir alle genomischen Variationen in einer natürlichen Population von Symbionten messen können, die seit langem mit ihrem Wirt interagieren, um zu sehen, was Gene in der Natur tun.“

„Es gibt diese Idee, dass Mikroben, die mit Menschen oder Pflanzen interagieren, automatisch vorteilhaft sind, weil sie lange Zeit mit ihnen zusammengelebt haben“, sagte Rebecca Batstone, ehemalige Postdoktorandin am Carl R. Woese Institute for Genomic Biology. „Allerdings hat eine Menge Arbeit gezeigt, dass die Interessen der Symbionten nicht immer mit denen des Wirts, den sie bewohnen, übereinstimmen. Wir wollten auf genomischer Ebene fragen, wie viel Übereinstimmung zwischen Wirt und Symbiont besteht im Vergleich zu wie viel Konflikt.“

In ihrer Studie untersuchten die Forscher 191 natürlich vorkommende Stämme des mikrobiellen Symbionten Sinorhizobium meliloti, gepaart mit seinem Wirt Medicago truncatula, einer kleeähnlichen Pflanze, die im Mittelmeerraum beheimatet ist. Die Mikrobe sitzt in den Wurzelknöllchen der Pflanze und versorgt sie mit Stickstoff. Die Gruppe paarte jeden mikrobiellen Stamm mit einer einzelnen Pflanze und verwendete auch eine Mischung aus verschiedenen Stämmen und infizierte dieselbe Pflanze, eine Konkurrenzsituation, die in der Natur häufig vorkommt.

„In unseren Experimenten haben wir gemessen, wie gut die Pflanze mit dem jeweiligen Mikrobenstamm zurechtkommt“, sagte Batstone. „Zusätzlich zur Messung des Pflanzenwachstums haben wir uns auch die mikrobielle Fitness angesehen, indem wir die Anzahl der Knötchen gezählt haben, die mit diesen Mikroben gefüllt waren, und die Knötchengröße gemessen haben.“

Die Forscher sequenzierten auch die Genome der Mikrobenstämme und konnten mithilfe einer Technik namens genomweite Assoziation vergleichen, welche bakteriellen Gene mit dem Pflanzenwachstum in Verbindung stehen.

„Wenn es eine Assoziation gibt, zum Beispiel ein interessierendes Gen stark mit dem Pflanzenwachstum assoziiert ist, dann ist das ein Hinweis darauf, dass das Gen für die Kontrolle dieses Merkmals wichtig sein könnte“, sagte Batstone.

Als sie verglichen, wie viele Symbiontengene mit dem Interesse des Wirts übereinstimmen, stellten die Forscher fest, dass fast 80 % der Gene, die sie identifizierten, mit der Ausrichtung assoziiert zu sein schienen.

„In Wettbewerbsumgebungen könnte man erwarten, dass es zu einer Entkopplung zwischen den Interessen des Wirts und der Symbionten kommt, weil die Symbionten auch miteinander konkurrieren“, sagte Batstone. „Das ist ein bemerkenswertes Ergebnis, denn es zeigt, dass sich die Symbionten zwar nicht entwickeln, um ihren Wirten zu nützen, es sich aber oft auszahlt, dass sie nützen.“

Obwohl sie mit über 2000 Pflanzen gearbeitet haben, würde die Gruppe gerne mehr Wirte untersuchen, um zu sehen, ob dieser Trend bei einer größeren Stichprobe von Pflanzenarten immer noch zutrifft. Diese Wechselwirkungen möchten sie auch unter verschiedenen Umweltbedingungen testen.

„Wir haben alles unter niedrigen Stickstoffbedingungen gemacht, weil die Pflanzen Stickstoff von ihren Symbionten bekommen. Sie können sich vorstellen, dass Sie vielleicht mehr Konflikte sehen, wenn Sie dem System Stickstoff hinzufügen“, sagte Batstone.