Uni Köln: Pilz füttert Pflanze mit Phosphor

Forscher und Forscherinnen der Uni Köln haben entdeckt, wie ein bisher unbekannter Pilz eine Pflanze mit dem wichtigen Mineralstoff Phosphor versorgt. Die Erkenntnisse sind wichtig für Neuzüchtungen von Pflanzen, die optimal mit nützlichen Pilzen kooperieren und sparsam im Umgang mit Bodenressourcen sind. Die Studie wurde in PNAS veröffentlicht.

Keimlinge von Arabis alpina, die in Gewebekultur mit Helotiales-Pilz inokuliert worden sind. Bild: Uni Köln.

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Forscher und Forscherinnen der Uni Köln haben entdeckt, wie ein bisher unbekannter Pilz eine Pflanze mit dem wichtigen Mineralstoff Phosphor versorgt. Die Erkenntnisse sind wichtig für Neuzüchtungen von Pflanzen, die optimal mit nützlichen Pilzen kooperieren und sparsam im Umgang mit Bodenressourcen sind. Die Studie wurde in PNAS veröffentlicht.

Pflanzen sind von einer hohen Zahl von Kleinstlebewesen besiedelt, deren Gesamtheit als Mikrobiom bezeichnet wird. Dazu gehören auch Pilze aus dem Boden. Die Forschergruppe um Professor Dr. Marcel Bucher vom Exzellenzcluster CEPLAS (Cluster of Excellence on Plant Science) zeigt jetzt, dass ein bisher unbekannter Pilz aus dem Mikrobiom in der Wurzel der Pflanze Arabis alpina (Alpen-Gänsekresse) seine Wirtspflanze bei nährstoffarmen Böden mit Phosphor versorgt und ihr Wachstum fördert.

„Die Ergebnisse der Arbeit sind wichtig für das Verständnis der Kooperation von Pflanzen mit den Kleinstlebewesen, die zu Abertausenden ihre Wurzeln besiedeln“, sagt Professor Dr. Marcel Bucher. Die Forscher und Forscherinnen beschreiben die Resultate ihrer Arbeit in ihrem Aufsatz „Root-associated fungal microbiota of nonmycorrhizal Arabis alpina and its contribution to plant phosphorus nutrition“ in der aktuellen Ausgabe der „Proceedings“ der amerikanischen Nationalen Akademie der Wissenschaften (PNAS).

Die Ergebnisse erklären, wie die Pflanze es schafft, in phosphorarmen Böden zu gedeihen. Dabei übernimmt der Pilz die Funktion bekannter spezialisierter Bodenpilze, die mit der Wurzel der meisten Landpflanzen eine förderliche sogenannte Mykorrhizasymbiose bilden. Diese Symbiose ist aber bei Arabis alpina und verwandten Arten nicht vorhanden.

Die zentrale Frage war, ob auch andere Pilze der Pflanze dienlich sein können. Dazu wurde in einem ersten Schritt das Mikrobiom der Wurzel untersucht und ein kurzer, für Pilze typischer Genomabschnitt sequenziert. Dadurch konnten Rückschlüsse auf die Identität und die Funktionen der Pilze im Mikrobiom gezogen werden. Die Analyse der biologischen Vielfalt und von evolutionären Verwandtschaftsbeziehungen zwischen den Pilzarten zeigte, dass die Diversität der Pilze von „außen nach innen“ abnimmt, im unbepflanzten Boden folglich am höchsten und im Wurzelinnern am niedrigsten ist. „Dies deutet darauf hin, dass Pflanzen als Filter für Kleinstlebewesen im Boden wirken können und die Fähigkeit besitzen, bestimmte Pilzkonsortien auszuwählen“, so Bucher.

Parallel dazu wurden zahlreiche Pilze aus der Arabiswurzel im Labor in Kultur genommen. „Wir konnten eine bisher unbekannte Pilzart aus der Ordnung der Helotiales detailliert untersuchen, die unter den rauen Bedingungen in den französischen Alpen sehr häufig auftritt und folglich wohl eine wichtige Funktion für das Überleben der Pflanze ausübt“, so Bucher. Dieser Helotiales Pilz lebt im Inneren der Wurzel, wächst dabei in einzelne Wurzelzellen hinein und verbindet das Wurzelinnere über Pilzfäden mit dem Wurzelraum außerhalb der Wurzel. War der Pilz Teil des Mikrobioms einer Pflanze in phosphorarmen Böden, konnten die Wissenschaftler ein verstärktes Wachstum und eine höhere Phosphoraufnahme der Pflanze feststellen.

In Kooperation mit der CEPLAS-Professorin Alga Zuccaro stellten die Forscher fest, dass die Gene für Enzyme aus dem Kohlenhydratabbau im Pilzgenom besonders häufig waren. „Der Lebensraum im Wurzelinneren bildet wohl eine ideale Nische für diese Pilze, in welcher sie gut geschützt in Gemeinschaft mit ihrem Wirt leben. Sie ernähren sich dabei von pflanzlichen Produkten der Photosynthese“, erklärt Marcel Bucher. „Da im globalen Zusammenhang die Bedeutung des Klimawandels für die mikrobielle und pflanzliche Lebenswelt mit ihren Interaktionsnetzwerken noch weitgehend unverstanden ist, ist die Kombination anspruchsvoller Labor- und Freilandforschung in diesem Bereich sehr wichtiger. Dafür leisten wir im Rahmen der CEPLAS Forschung unseren Beitrag“, so der Pflanzenforscher. (Universität zu Köln)

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