Pflanzen kultivieren eigene Bodenbakterien

In der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) gibt es vier Cluster von Genen, die für Triterpene kodieren, die in der Wurzel exprimiert werden. Derartige Cluster sind oft das Resultat eines starken Selektionsdrucks in der Evolution und produzieren häufig wichtig Moleküle für die Pflanze. So gibt es bei der Ackerschmalwand Hinweise darauf, dass die Produkte einiger dieser Cluster an der Abwehr von Wurzelpathogenen beteiligt sind. Die Pflanzenforscher wollten nun wissen, inwieweit diese Triterpene das Wurzelmikrobiom beeinflussen.

Ohne Triterpene ändert sich das Wurzelmikrobiom

Erzeugten die Wissenschaftler Mutanten der Ackerschmalwand, in der die Biosynthesewege der Triterpene unterbrochen waren, entwickelten die Pflanzen ein Wurzelmikrobiom, das sich in den Arten und deren Häufigkeiten klar vom Wildtyp unterschied. Weitere Tests bestätigten den Einfluss der Triterpene: Zunächst reinigten die Forscher die Triterpene aus den Wurzeln auf oder synthetisierten sie. Dann testeten sie in vitro, wie sich dieser Molekülcocktail auf 19 taxonomisch teils weit voneinander entfernte Bakterienstämme auswirkte, die aus dem Wurzelraum der Ackerschmalwand isoliert worden waren. Sie fanden sowohl positive als auch negative Effekte auf das Wachstum einzelner Stämme.

So inhibierten die Metabolite z. B. das Wachstum eines Arthrobacter-Stammes, während Arenimonas sein Wachstum beschleunigte. Bei einigen Bakterien war der Zusammenhang besonders deutlich: Ein Pseudomonas-Stamm konnte bestimmte Triterpene wie Thalianylfettsäureester metabolisieren und die Abbauprodukte als Kohlenstoffquelle für die Vermehrung nutzen.

Triterpene erklären Unterschiede zwischen Pflanzenarten

Zusätzlich verglichen die Pflanzenforscher das Wurzelmikrobiom der Ackerschmalwand mit den Wurzelmikrobiomen der weit entfernten Arten Reis und Weizen, die die Triterpene Thalianin, Thalianylfettsäurester und Arabidin nicht bilden. Dabei bestätigte sich, dass die Triterpene wesentlich dazu beitragen, ein Mikrobiom zu etablieren, das spezifisch für die Ackerschmalwand ist. 

„Wir konnten zeigen, dass A. thaliana eine Reihe spezialisierter Triterpene produziert, die die Entstehung und Erhaltung eines spezifischen Mikrobioms lenken“, resümieren die Autoren der Studie. So könne die Pflanze die mikrobielle Gemeinschaft in ihrem Wurzelraum nach ihren eigenen Bedürfnissen maßschneidern. „Wir vermuten, dass die metabolische Diversifikation innerhalb des Pflanzenreiches die Grundlage bildet, das Mikrobiom an dessen Wirt anzupassen, und dass sich dadurch zumindest teilweise die Existenz eines pflanzenspezifischen Metabolismus‘ erklärt.“