Stabilität und Wandel im Flechten-Mikrobiom

Flechten repräsentieren langlebige Ökosysteme "en miniature" mit spezifischen Bakteriengemeinschaften. Unsere Entdeckung und bisherige Erforschung dieser Gemeinschaften möchten wir durch Studien zur Stabilität und Veränderung durch ökologische Faktoren auf die Struktur und Funktion des Flechten-Mikrobioms erweitern. Dieser Ansatz soll auch das Kern-Mikrobiom von der transienten Fraktion trennen. In experimentellen Ansätzen sollen die beiden Modell-Flechten Lobaria pulmonaria und Peltigera praetextata artifiziellen Ökosystemstörungen - wie Starkregen oder Schatten - ausgesetzt werden, um deren Stabilität zu ermitteln. Methoden zur Strukturanalyse wie rRNA Gen Amplikon- und Metagenom-Sequenzierung und FISH-CLSM (Fluorescence in situ Hybridisierung und Konfokale Laserscanning Mikroskopie) werden mit neuen funktionellen Ansätzen wie Metaproteom-Analysen kombiniert. Als neuer methodischer Ansatz sind Untersuchungen zum Mobilom geplant, die horizontalen Gentransfer und evolutionäre Prozesse in den Flechten beleuchten soll. Dies sind die ersten Untersuchungen zur Stabilität von Flechten-assoziierten Bakteriengemeinschaften, die, über das Flechtenökosystem hinaus, weitreichende Bedeutung für das Verständnis von Ökosystemstabiltät und Funktion der mikrobiellen Gemeinschaft hierbei, haben können.

Traditionell werden Flechten als symbiotische Verbindung zwischen einem Mykobionten (Pilz) und einem Photobionten (Grünalgen- und /oder Cyanobakterien) gesehen. Während der Pilz einen geeigneten Lebensraum für den Photobionten bereitstellt, produziert dieser Energie für das gesamte symbiotische System. Diese klassische Sichtweise wurde in den letzten Jahren durch fortschreitende Mikrobiom-Forschung und den damit einhergegangenen neuen Technologien in Frage gestellt. Ähnlich wie bei anderen Organismen, könnte das assoziierte Mikrobiom einen positiven Effekt auf seinen Wirt haben und damit zum Wohlergehen der Flechte beitragen. Ob und welche Rolle diese Bakterien für die Flechten Symbiose jedoch wirklich spielen, war noch weitestgehend unbekannt. Das Ziel dieser Studie war es, das Flechten-assoziierte Mikrobiom in Hinblick auf seine Struktur und Diversität durch Hochdurchsatz-Sequenzierungen und modernen bildgebenden Methoden (konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie) zu charakterisieren, sowie dessen Funktionen auf verschiedenen molekularen Ebenen (Metagenom, Transkriptom und Proteom) zu beleuchten. Im Rahmen dieser Studie konnte anhand der Lungenflechte (Lobaria pulmonaria) als Modellsystem gezeigt werden, dass die bakterielle Gemeinschaft hoch divers ist und Alphaproteobakterien die dominante Gruppe innerhalb dieser darstellen. Entfernt liegende Lobaria Populationen zeigten Überlappungen in ihren Mikrobiomen, was auf eine stabile Verbindung zwischen speziellen Bakterienarten und der Flechte selbst hindeutet. Ein Teil dieses Flechten-Mikrobioms wird vertikal über die vegetativen Ausbreitungseinheiten der Flechte über kurze Distanzen mitübertragen, wodurch das assoziierte Mikrobiom innerhalb einer Region geformt und stabilisiert wird. Metagenom- und Metatranskriptom-Analysen haben ergeben, dass spezifische Bakteriengruppen den symbiotischen Lebensstil durch verschiedene Funktionen potenziell unterstützen bzw. ergänzen. Dazu gehören die Bereitstellung von verschiedenen Nährstoffen, Vitaminen, Co-Faktoren und Wachstumshormonen, aber auch chemische Abwehrmechanismen gegen verschiedene biotische (pathogene Bakterien und Pilze) und abiotische Stressfaktoren. Letzteres inkludiert den Schutz vor reaktiven Sauerstoffspezies und die Detoxifikation von schädlichen anorganischen Verbindungen wie Arsen. Vertiefende Analysen mit antagonistischen Isolaten haben gezeigt, dass diese auch bestimmte Metaboliten produzieren die einen positiven Effekt auf das Pflanzenwachstum bei Trockenheit und hohen Salzkonzentrationen haben.Diese interdisziplinäre Studie zeigte eindeutig, dass das Flechten-assoziierte bakterielle Mikrobiom eine bedeutende Rolle in dieser Symbiose spielt und somit das klassische Flechtenmodell um eine dritte Komponente erweitert werden sollte. Des Weiteren wurde gezeigt, dass die Anwendung von Flechten-assoziierten Bakterien als Pflanzenschutzmittel eine sinnvolle Alternative zu den klassischen Methoden bietet.