Das Mikrobiom des Gerstensamens

Neue Ansätze für die Pflanzenzüchtung

Das Mikrobiom des Gerstensamens hängt in seiner Zusammensetzung und Diversität stark vom Genotyp der Gerste ab. Das zeigt eine Studie des Julius Kühn-Instituts (JKI) und der Universität Kopenhagen, die das Samenmikrobiom von sieben verschiedenen Gerste-Genotypen unter die Lupe genommen hat. Darüber hinaus konnte ein Genotyp-übergreifendes „Kernmikrobiom“ der Gerste identifiziert werden.

Eigene Widerstandsfähigkeit

„Die in der Studie aufgezeigte genetische Kopplung von Mikrobiomdiversität und Pflanzengenotyp stellt einen Anreiz für die Züchtungsforschung dar, Genotypen mit einer hohen Diversität und Abundanz eines nützlichen Samenmikrobioms genauer zu betrachten“, erklärt Nina Bziuk vom (JKI), Erstautorin der Publikation. In ferne Zukunft gedacht könnten so möglicherweise Pflanzenschutzmittel oder Mineraldünger eingespart werden, da einzelne Organismen des Mikrobioms das Pflanzenwachstum stimulieren und mit dem Immunsystem der Pflanze interagieren können. Sie stärken so die Widerstandsfähigkeit gegenüber Krankheitserregern. Auch die Nutzung einzelner Organismen als Biostimulanzien wäre denkbar.

Im Rahmen der Studie wurde aus einem Bestand von 200 Gerstengenotypen sieben Genotypen ausgewählt, welche die genetische Diversität der Gerste bestmöglich repräsentieren. Die bakterielle Gemeinschaft im Samen dieser sieben Genotypen wurde mit Hilfe kultivierungsunabhängiger DNA-basierter Methoden und traditioneller Kultivierungsverfahren anschließend genauer betrachtet.

„Enterobacteriaceae stellten hierbei die am stärksten vertretene Klasse im Samenmikrobiom dar“, so Bziuk, „andere häufige Gattungen des Kernmikrobioms waren Curtobacterium, Paenibacillus, Pantoea, Sanguibacter und Saccharibacillus.“

Die Forschenden haben bakterielle Isolate der Endophyten aus den sterilisierten Gerstensamen kultiviert. Die taxonomische Einordnung der isolierten Endophyten erfolgte über ihre 16S rRNA Gen-Sequenz, deren Vergleich die bevorzugte molekularbiologische Methode zur Identifizierung von Bakterien in ihrer Gattungsebene herausgestellt.

Der neue Blick auf die Pflanze

Unter Laborbedingungen produzieren viele dieser Isolate Metabolite, die das Potenzial besitzen, Pflanzenwachstum oder Resistenzen gegenüber biotischen und abiotischen Stressoren, vor allem in frühen Phasen der Pflanzenentwicklung, zu steigern. „Dies trifft nicht nur auf Samenmikroben, sondern auch auf Organismengemeinschaften im Wurzelbereich der Pflanze zu, wie wir aus vergangenen Studien [1] bereits wissen“, ergänzt Professor Dr. Kornelia Smalla, Leiterin der Arbeitsgruppe molekulare mikrobielle Ökologie am JKI-Fachinstitut für Epidemiologie und Pathogendiagnostik. „Auch für das Wurzelmikrobiom konnten wir in dieser Studie einen Genotyp-induzierten Effekt auf die Zusammensetzung der Mikroorganismen in der Rhizosphäre beschreiben“, so Smalla. „Häufigkeit und Vorkommen der Mikroben-Gattungen in der Rhizosphäre und im Samenkorn eines Genotyps unterscheiden sich jedoch maßgeblich.“

Auch wenn die Forschenden anhand von Single Nucleotid Polymorphismen in dieser Studie keine genetische Korrelation zwischen den sieben Gerstengenotypen und dem jeweiligen Mikrobiom herstellen konnten, sehen Sie dennoch großes Potential in der genaueren Betrachtung der Kausalkette von Genotyp, Mikrobiomzusammensetzung und Resistenz- bzw. Widerstandsfähigkeit. Diese bietet möglicherweise züchterische Ansatzpunkte um Kulturpflanzen besser gegen Schaderreger oder sich ändernde Umweltfaktoren zu wappnen und zukünftige Herausforderungen zu begegnen.

Lesestoff:

Bziuk et al. (2021): The treasure inside barley seeds: microbial diversity and plant beneficial bacteria, Environmental Microbiome. DOI: https://doi.org/10.1186/s40793-021-00389-8

[1] Elsayed et al. (2021): Potato plant spheres and to a lesser extent the soil type influence the proportion and diversity of bacterial isolates with in vitro antagonistic activity towards Ralstonia solanacearum (DOI: 10.1093/femsec/fiab038 )

Gesa Leefken (JKI) / roRo