Wenn man von Mikrobiota spricht, denkt man in der Regel an unseren Darm. Es gibt jedoch eine andere, weniger bekannte Art von Mikrobiota, die ebenfalls eine zentrale Rolle spielt: die Pflanzenmikrobiota. In einem Artikel auf der Titelseite der Zeitschrift "Science" vom 2. Oktober 2025 haben Prof. Niko Geldner und sein Team von der Universität Lausanne das Geflecht des "Phytobiota" entwirrt, in dem Bakterien und Wurzeln eine bittersüsse Liebe pflegen, die unter der Erde gut geschützt ist.
Die Mikrobiota von Pflanzen, auch Phytobiota genannt, besteht aus Gemeinschaften von bakteriellen und pilzlichen Mikroorganismen, die mehr oder weniger mutualistisch oder symbiotisch sind. Ein Teil dieser Mikrobiota, die sogenannte "Rhizosphäre" vom griechischen Wort "rhizo-" (Wurzel), ist eng mit den Wurzeln verbunden. Um ein hochspezialisiertes rhizosphärisches Mikrobiom aufbauen zu können, müssen die Pflanzen selektiv Bodenbakterien rekrutieren. Dabei geht es um das Wohlbefinden der Pflanze. Die Bakteriengemeinschaften beeinflussen die Wurzelentwicklung und damit die Gesundheit der Pflanze im Allgemeinen. Sie verleihen der Pflanze Resilienz gegenüber einer Vielzahl von Umweltstressfaktoren. Das Gleichgewicht bleibt jedoch empfindlich und bei einer Schwäche der Pflanze können sich einige Mikroben auch als Krankheitserreger erweisen.
Ein für Bakterien attraktiver Pflanzenfluss
Wie können Pflanzen diese Auswahl treffen und ihre mikrobiellen Gemeinschaften gestalten? Durch die Freisetzung von Wurzelexsudat, einer komplexen Flüssigkeit, die aus der Pflanze sickert. Obwohl bekannt ist, dass diese Mischung aus organischen Verbindungen eine wichtige Rolle bei der Besiedlung durch Bakterien spielt, ist wenig darüber bekannt, wie, wann und wo sie freigesetzt wird, insbesondere auf einer für Bakterien relevanten räumlichen Skala.
Genau diese Problematik untersucht die Gruppe von Niko Geldner , ordentlicher Professor und Leiter der Abteilung für Molekularbiologie der Pflanzen (DBMV) an der Fakultät für Biologie und Medizin der Universität Lausanne, in enger Zusammenarbeit mit dem Labor von Dr. Feng Zhou am Center for Excellence in Molecular Plant Science (CEMPS) in Shanghai und in Partnerschaft mit deutschen Kollegen. Ihre Ergebnisse werden in der Ausgabe vom 2. Oktober 2025 der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.
Ähnlichkeiten zwischen Tier- und Pflanzenreich
Um die Forschung der Biologen besser zu verstehen, ist ein Vergleich hilfreich: Wie das Darmepithel der Tiere wirkt das Wurzelendoderm wie eine selektive Zellbarriere, die den freien Fluss von mineralischen Nährstoffen in das zentrale Gefässgewebe der Wurzeln einschränkt. Umgekehrt spielt die Endodermbarriere auch eine wichtige Rolle bei der Verhinderung des Austritts von Zuckern, organischen Säuren, Aminosäuren und anderen energiereichen organischen Stoffen aus der Photosynthese in den Boden, der arm an diesen Verbindungen ist. Während ihres Wachstums oder ihrer Verzweigung kann die Wurzel Momente und Bereiche erleben, in denen sie anfällig ist. "Wenn zum Beispiel eine Seitenwurzel aus der Mutterwurzel hervorgeht, bricht ein Teil der Barriere, um das Hervortreten der Wurzel zu erleichtern", erklärt Niko Geldner, Co-Letztautor des Artikels. Zwar wird die gebrochene Barriere später wieder repariert, aber der Bruch führt zu einem vorübergehenden Abfluss nach aussen. Wir beobachteten, dass die Bakterien genau an dieser Stelle zusammenklumpten und sich vermehrten. Die Frage war: Was zieht sie an und lässt sie sich so vermehren?"
Die Wissenschaftler stellten daher die Hypothese auf, dass eine Schädigung der Endodermschranke die Rekrutierung von Mikroben und die Zusammensetzung der Gemeinschaften beeinflussen muss. Nun galt es, den Mechanismus zu erforschen, der diesem Phänomen zugrunde liegt. Zu diesem Zweck wurden Mutanten der Modellpflanze Arabidopsis thaliana oder Frauenmantel verwendet, bei denen die endodermale Barriere fehlte oder verändert war. unsere Beobachtungen haben bestätigt, dass eine veränderte Endodermschranke die bakterielle Besiedlung tiefgreifend beeinflusst", sagt Niko Geldner. Aus diesem Grund haben wir uns gefragt, ob die Bakterien eine oder mehrere Substanzen besonders gern mögen
Den Glutamin-Stoffwechsel mit Fluoreszenz wahrnehmen
Die Autoren suchten daraufhin nach Verbindungen, deren Konzentration in den Wurzelexsudaten der Mutanten erhöht war. Sie stellten in ihren Proben einen starken Anstieg von Aminosäuren, hauptsächlich von Glutamin, fest. Glutamin spielt eine wichtige Rolle beim Stickstofftransport zu den Sprossen.
An dieser Stelle kommt die Expertise des Labors von Prof. Christoph Keel an der Abteilung für grundlegende Mikrobiologie der Universität Lausanne ins Spiel. Dieser beschäftigt sich seit mehreren Jahrzehnten mit einem ganz bestimmten Bakterium, Pseudomonas protegens CHA0, das sich auf verschiedenen Pflanzen, darunter auch den Wurzeln der Frauenaralie, sehr gut entwickelt und diese vor Pilzkrankheiten schützen kann. Durch genetische Manipulationen an diesem Modellbakterium konnten die Biologen nachweisen, dass diese Mikroorganismen sehr stark von Glutamin angezogen werden. "Wir haben Bakterien gezüchtet, die ihre Fähigkeit verloren haben, Glutamin zu riechen. Dadurch waren sie nicht mehr in der Lage, die Stellen zu finden, an denen die Wurzeln entstanden", berichtet Dr. Huei-Hsuan Tsai, Postdoktorandin in der Gruppe von Prof. Geldner und Co-Erstautorin der Studie. Darüber hinaus konnten die Forscher live beobachten, dass die Bakterien Glutamin für ihr Wachstum nutzen, indem sie ein Fluoreszenzsystem entwickelten, das nur aktiviert wird, wenn Glutamin verstoffwechselt wird.
Diese Aminosäure stellt somit ein wichtiges Signal dar, das es den Bakterien ermöglicht, bestimmte Stellen mit Lecks auf der Wurzeloberfläche zu finden und zu besiedeln. "Wir haben nachgewiesen, dass sich die Bakterien metabolisch an diese glutaminreiche Nische anpassen und Glutamin als Kohlenstoffquelle nutzen, wodurch sie sich noch stärker vermehren können", fährt Huei-Hsuan Tsai fort.
Die Mikrobiota - ein wesentlicher Teil der Lösung
Diese verschiedenen Ergebnisse liefern den Beweis dafür, dass lokalisierte Glutaminlecks aus dem Gefässsystem ein wichtiger Faktor für die bakterielle Besiedlung sind. Sie veranschaulichen die dynamischen Interaktionen zwischen Wurzeln und Mikroben. In ihrer zukünftigen Arbeit werden Niko Geldner und sein Team versuchen, mehr darüber zu erfahren, welche anderen Substanzen Bakterien anziehen können, z. B. unter verschiedenen Stressbedingungen: "Pflanzen können die Zusammensetzung ihres Exsudats je nach Umweltbelastung (Trockenheit, extreme Temperaturen, Salzgehalt, Lichtmangel usw.) ändern und dadurch potenziell andere Bakterienarten anziehen", erklärt Geldner.
Und wie sieht es mit einer potenziellen Anwendung in der Landwirtschaft aus, da man versucht, Düngemittel und Pestizide in der Landwirtschaft zu reduzieren? "Trotz des erwiesenen Potenzials von Bakterien ist jeder Boden anders und enthält eine enorme Vielfalt an Mikrobiota. Es ist daher extrem schwierig, zu garantieren, dass sich eine bestimmte Art von Bakterien ansiedelt und eine bestimmte Pflanzensorte schützt. Es ist derzeit sehr kompliziert, zu untersuchen, was in der -wirklichen- Erde vor sich geht. Im Labor versuchen wir, die grundlegenden Prinzipien durch Simulationen mit einfacheren Bakteriengemeinschaften, deren Zusammensetzung wir beherrschen, zu entschlüsseln. Eines ist jedoch sicher: Die Mikrobiota ist ein Teil der Gesundheit unserer Pflanzenkulturen. Wenn wir sie nicht berücksichtigen, werden wir nie wirklich verstehen, was auf unseren Feldern vor sich geht", schliesst der Experte.
