Neuartige Methode ermöglicht uneingeschränkte Isotopenanalysen

Die meisten Pflanzen weltweit leben in Symbiose mit Pilzen. Oft kommt es zu einem Nährstoffaustausch, von dem beide Partner profitieren. In zahlreichen anderen Fällen ernähren sich die Pflanzen jedoch einseitig auf Kosten der Pilze.

Internationale Forschungsgruppen um Prof. Dr. Gerhard Gebauer an der Universität Bayreuth haben nun in der Zeitschrift eine neue Methode vorgestellt Neuer Phytologe Dadurch ist es erstmals möglich, Isotopenanalysen ohne Einschränkungen auf alle Formen der Symbiose zwischen Pflanzen und Pilzen anzuwenden. Grundsätzlich lässt sich künftig bestimmen, welche und wie viele Nährstoffe jede Pflanze von Pilzpartnern erhält.

Einblicke in die Art und Menge der Nährstoffe, die Pflanzen aus mit ihren Wurzeln verflochtenen Pilzen gewinnen, sind aufschlussreich für das Verständnis der Artenvielfalt und der Funktionsweise von Ökosystemen. Kohlenstoff ist in diesem Zusammenhang von besonderem Interesse: Nach einer immer noch weit verbreiteten Ansicht produzieren Pflanzen den gesamten benötigten Kohlenstoff durch eigene Photosynthese und werden daher als autotroph bezeichnet.

Viele Pflanzen sind jedoch heterotroph: Sie nutzen die Symbiose mit Pilzen, die sogenannte Mykorrhiza, um ihren Pilzpartnern Kohlenstoff zu entziehen: Es gibt sogar Pflanzen, die ihren gesamten Kohlenstoffbedarf auf diese Weise decken und ihre eigene Photosynthese vollständig eingestellt haben.

Isotopenanalysen bieten Einblicke in den unterirdischen Lebensmitteltransport

Seit vielen Jahren macht man sich bei der Forschung zur Übertragung von Nahrungsmitteln von Pilzen auf Pflanzen die Tatsache zunutze, dass der von den Pflanzen selbst produzierte Kohlenstoff ein anderes Isotopenprofil aufweist als der in den Pilzpartnern vorhandene Kohlenstoff. Das bedeutet, dass die Isotope des Kohlenstoffs – das sind Kohlenstoffatome, die sich lediglich durch die Anzahl der Neutronen in ihrem Kern unterscheiden – in Pilzpartnern anders häufig vorkommen als im Kohlenstoff, den Pflanzen durch ihre eigene Photosynthese produzieren.

Die Isotopenanalyse des in Pflanzen gespeicherten Kohlenstoffs lässt daher Rückschlüsse auf die Menge an Kohlenstoff zu, die aus Pilzen stammt. Allerdings sind diese Berechnungen nur möglich, wenn zwei Referenzwerte bekannt sind: das Isotopenprofil von Kohlenstoff in autotrophen Pflanzen und das Isotopenprofil von Kohlenstoff in Pilzpartnern.

Zwischen den beiden Referenzwerten liegt das Isotopenprofil des Kohlenstoffs in heterotrophen Pflanzen, die ihren Pilzpartnern einen Teil des benötigten Kohlenstoffs entziehen. Auf diese Weise hat die Isotopenforschung bereits vielfältige neue Erkenntnisse über Symbiosen zwischen Pilzen und Pflanzen zu Tage gefördert.

Ein Türöffner für die Ökosystemforschung

Bisher war die Forschung jedoch einer erheblichen Einschränkung unterworfen: Die Pilzpartner mussten ihre eigenen Fruchtkörper bilden und darin ihren Kohlenstoff speichern. Nur unter dieser Voraussetzung war Pilzkohlenstoff in den für Isotopenanalysen erforderlichen Mengen zugänglich. Allerdings ist seit langem bekannt, dass nur etwa zehn Prozent der Pilze, die in Symbiose mit Pflanzen leben, Fruchtkörper bilden. Folglich fehlte in der Regel einer der beiden Referenzwerte, die zur zuverlässigen Bestimmung der Art und des Ausmaßes der Pflanzenheterotrophie erforderlich sind.

Das Bayreuther Forscherteam hat nun eine Lösung für dieses Problem gefunden. Den Wissenschaftlern ist es gelungen, Pilzkohlenstoff aus den Pilzfäden – den sogenannten Hyphen – zu extrahieren, die mit den Wurzeln von Pflanzen verflochten waren. Auf diese Weise gelang es ihnen auch, Stickstoff und Wasserstoff aus Pilzen zu isolieren.

Die Studien, veröffentlicht in Neuer Phytologeumfassen eine Vielzahl von Anwendungsbeispielen der Isotopenanalyse, die die neue Technik nun ermöglicht. „Die Türen stehen der Ökosystemforschung zu symbiotischen Beziehungen zwischen Pflanzen und Pilzen nun weit offen“, sagt Prof. Dr. Gerhard Gebauer.

Fallstudien zu Waldpflanzen und Orchideen

Die Untersuchungen konzentrierten sich auf Pilze ohne Fruchtkörper, die in einer arbuskulären Mykorrhiza mit kleinen blattlosen Pflanzen leben, die nicht zur Photosynthese fähig und daher völlig heterotroph sind. Hierbei handelt es sich um eine besonders häufige Form der Symbiose zwischen Pflanzen und Pilzen, die weit in die Evolutionsgeschichte zurückreicht.

Forschungspartner in Japan und Australien stellten die Waldpflanzen den Bayreuther Wissenschaftlern zur Verfügung, denen es gelang, Zellfäden (Hyphen) der Pilze aus dem Wurzelgeflecht der Waldpflanzen abzulösen und für Isotopenanalysen vorzubereiten. Die Analysen lieferten erstmals Isotopenhäufigkeiten von Pilzpartnern der arbuskulären Mykorrhiza mit vollständig heterotrophen Pflanzen.

Ein weiterer Schwerpunkt der Forschung waren die Isotopenprofile der im Nordosten Bayerns heimischen Orchideen, die ebenfalls mit Pilzen, die keine Fruchtkörper bilden, eine Mykorrhiza bilden. Zu Vergleichszwecken wurde jedoch auch eine auf Hawaii beheimatete Orchidee in die Studien einbezogen.

Pelotons von Pilzen – das sind kleine kugelförmige Ansammlungen von Hyphen – konnten aus den Wurzelzellen der Orchideen isoliert werden, was sich als besonders schwierig erwies. Vorläufige Isotopenanalysen deuten darauf hin, dass die ausgewählten Orchideen auch einen erheblichen Teil ihres Stickstoff- und anderen Nährstoffbedarfs aus den Pilzen beziehen.