Analyse des Mikrobioms von Arzneipflanzen

Aktuelle Studien haben gezeigt, dass Pflanzen-Mikroben-Interaktionen unerlässlich für das Verständnis von Pflanzenwachstum und -gesundheit, aber auch für eine nachhaltige Produktion von Kulturpflanzen sind. Darüber hinaus können durch Pflanzen-Mikroben-Interaktionen produzierte Sekundärmetabolite auch Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit haben und sind daher ein vielversprechendes Target in der Wirkstoffentwicklung. Während Arabidopsis und verschiedene Kulturpflanzen schon untersucht wurden, ist über die Rolle des Mikrobioms von Arzneipflanzen noch wenig bekannt. Deshalb wurden die Ringelblume Calendula officinalis L. und die Echte Kamille Matricaria chamomilla L. als Modelpflanzen ausgewählt. Sie zählen zu den bekanntesten und vielseitigsten Arzneipflanzen und werden mit unterschiedlichen chemischen Profilen weltweit angebaut. Als Mitglieder der hochentwickelten Asteraceae-Familie zeichnen sie sich durch einen besonders diversifizierten Sekundärstoffwechsel, der Flavonoide, Sesquiterpene und Triterpene einschließt, aus. Während Calendula hauptsächlich zur Behandlung von Wunden und Hautkrankheiten verwendet wird, finden Kamille-Produkte eine sehr viel bereite Anwendung, zum Beispiel für Entzündungen, Geschwüre, Wunden, Muskelspasmen und Magen-Darm- Erkrankungen. Darüber hinaus sind beide Spezies überaus populär in der Kräuterkosmetik, allerdings besteht ein Risiko für allergische Reaktionen. Pflanzliche Arzneimittel sind in den meisten Teilender Welt seit Tausendenvon Jahren ein Teil der traditionellen Gesundheitsversorgung. Während sich die Forschung an Arzneipflanzen bisher in erster Linie auf ihre bioaktiven Pflanzeninhaltsstoffe konzentrierte, verlagert sich derzeit das Interesse auf jene Verbindungen, welche von assoziierten Mikroorganismen oder durch deren Interaktion mit ihrer Wirtspflanze produziert werden. Grund hierzu ist die wachsende Erkenntnis, dass eine erhebliche Anzahl von Pflanzenmetaboliten tatsächlich von Mikroben produziert wird. Das Ziel dieses Projektes ist es, die Struktur und die Funktion des mikrobiellen Metagenoms der beiden Arzneipflanzen zu entschlüsseln und dessen Einfluss auf das Metabolom der Pflanzen sowie die Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit aufzuklären. Dafür wird ein mehrphasiger Ansatz zur Anwendung kommen, in welchem Meta-omics-Technologien mit molekularen Methoden und analytischen Analysen kombiniert werden. Wir werden Ergebnisse über die mikrobielle Biodiversität der oberirdischen Pflanzenteile mit biologisch aktiven Verbindungen der Metabolome von Pflanzen, welche in Österreich, Kalifornien/USA und in Ägypten angebaut wurden, verknüpfen, um Metagenom-Metabolom Interaktionen zu enträtseln, wie auch die Stabilität beider über drei verschiedene Kontinente aufzudecken. Um die Wirkungsweise zu verstehen und um eine gezieltere Anwendung zutesten, werden Untersuchungender Gemeinschafts- Zusammensetzung der Mikroflora der menschlichen Haut vor und nach topischer Anwendung von Salbe durchgeführt. Neben neuen Erkenntnissen über Arzneipflanzen-Mikroben-Interaktionen, wird dieses Projekt die noch weitgehend unerschlossene Bioressource des Calendula- und Matricaria-Mikrobioms für dessen Verwendung in Medizin und Landwirtschaft öffnen.

Pflanzliche Arzneimittel sind in den meisten Teilen der Welt seit Tausenden von Jahren ein Teil der traditionellen Gesundheitsversorgung, und nach wie vor sind sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe ein vielversprechendes Target in der Wirkstoffentwicklung. Pflanzen gehen enge Interaktionen mit Mikroorganismen ein, welche essentiell für ihre Leistungsfähigkeit und deren Überleben sind. Darüber hinaus beeinflusst das pflanzenassoziierte Mikrobiom auch das metabolische Profil der Pflanze, was zu unterschiedlichen Metabotypen führt. Eine erhebliche Anzahl von Metaboliten wird dabei tatsächlich sogar von assoziierten Mikroben produziert. Mikrobiomanalysen verschiedener Arzneipflanzen (Matricaria chamomilla L., Calendula officinalis L. und Solanum distichum Schumach. und Thonn.) zeigten eine pflanzenspezifische mikrobielle Besiedlung der Rhizosphäre und Phyllosphäre, während die Mikrobiomzusammensetzung der Endosphäre eine hohe Ähnlichkeit und eine signifikant niedrigere Diversität aufwies. Das ektophytische Phyllosphärenmikrobiom der Asteraceae-Arzneipflanzen war von Proteobacteria, Firmicutes und Actinobacteria dominiert. Die Blattendosphären wurden hingegen fast ausschließlich durch Proteobacteria kolonisiert, insbesondere von Gammaproteobacteria. Die Blütenmetabolome der Asteraceae-Arnzeipflanzen offenbarten eine auffallende Komplexität und waren hochspezifisch für die verschiedenen Pflanzenarten (M. chamomilla und C. officinalis) aber auch für die einzelnen Probenahmestandorte (Österreich, Washington/USA und Ägypten). Es konnten mehrere Metaboliten mit signifikanten Unterschieden zwischen Proben von verschiedenen Standorten und Pflanzenarten identifiziert werden, darunter auch bioaktive Verbindungen wie zum Beispiel die Flavonoide Apigenin, Luteolin und Quercetin. Die Rhizosphärengemeinschaften aller untersuchten Arzneipflanzen zeigten eine außerordentlich hohe mikrobielle Vielfalt, herausragend vor allem im Vergleich zu Kulturpflanzen aus intensivlandwirtschaftlichem Anbau. Insgesamt konnten 84 metagenomische Bins aus den Arzneipflanzenrhizosphären assembliert werden, darunter zwei nahezu vollständige Genome. Die Genomsequenzierung von drei isolierten vielversprechenden Biokontrollkandidaten (Bacillus amyloliquefaciens, Paenibacillus polymyxa und Streptomyces sp.) brachte Einblick in den genotypischen Hintergrund der nachgewiesenen direkten und indirekten Wachstumsförderung und Stressresistenz.