Die Rolle der Samenmikrobiota bei der Keimung

Pflanzen sind von komplexen mikrobiellen Gemeinschaften besiedelt und diese spielen eine wichtige Rolle in der Pflanzengesundheit und im Wachstum. Die Mikroorganismen im Samen (Endophyten) sind die ersten Besiedler der Pflanze und die Grundlage der späteren mikrobiellen Gemeinschaft in Pflanzen. Der Samen bietet daher die Möglichkeit, eine Pflanze zu designen, die mit einer optimierten mikrobiellen Gemeinschaft startet. Derzeit verfügen wir jedoch nicht über ausreichende Kenntnisse darüber, wie dies erreicht werden kann oder wie die mikrobielle Gemeinschaft in Pflanzensamen zur Samenkeimung beiträgt. Um ein tieferes Verständnis für die Interaktion zwischen Pflanzensamen und Mikroorganismen zu entwickeln haben wir eine Kooperation zwischen Samenphysiologen der Universität Innsbruck und Mikrobiologen des Austrian Institute of Technology gestartet. Wir wollen folgende Hypothesen testen: 1) Metabolische Veränderungen im Samen während der Keimung und nicht nur die Rehydrierung aktivieren die Proliferation von bakteriellen Endophyten. 2) Spezifische Samenendophyten tragen zur Samenvitalität bei, unterstützen die Etablierung des Keimlings und sind antagonistisch gegenüber Phytopathogenen im Samen. 3) Die Diversität der Endophytengemeinschaft gerät durch Samenalterung außer Balance und kann durch externe Applikation von Endophyten wieder eingestellt werden, um die Keimfähigkeit gealterter Samen zu verbessern. 4) Sortenabhängige Effekte von keim- und wachstumsfördernden Mikroorganismen basieren auf einem Mangel an funktionellen Endophyten in der natürlichen Mikrobengemeinschaft in Samen. Um diese Hypothesen zu testen, arbeiten wir mit Soja (Glycine max L.), wegen der ökonomischen Relevanz, der verfügbaren Literatur und Genomsequenz und unsere eigenen Forschungserfahrung. Die mikrobiellen Gemeinschaften in Sojasamen werden mittels modernster Sequenziertechnologie analysiert. Ausgewählte Samenendophyten werden auf Samen aufgebracht und der Effekt auf die Keimung unter verschiedenen Umweltbedingungen untersucht. Darüber hinaus werden ausgewählte Endophyten mit fluoreszierendem Protein markiert, um sie mikroskopisch im Pflanzengewebe nachweisen zu können. Metabolitveränderungen im Samen während der Keimung und als Resultat von Samenalterungwerdenmittels Gas- undFlüssigchromatographiegekoppeltan Massenspektrometrie (GC-MS und LC-MS) untersucht. Insgesamt hoffen wir verstehen zu können, welche Endophyten sich in Samen vermehren, auf welche Metaboliten sie reagieren, wie sie die Samenkeimung beeinflussen und wie diese Endophyten während der Samenalterung beeinflusst werden.

Bakterien gehören zu den kleinsten lebenden Organismen, viel kleiner als unsere eigenen Zellen. Doch was ihnen an Größe fehlt, machen sie an Zahl wett! Es wächst das Bewusstsein für die Bedeutung des Mikrobioms (die Summe der Mikroben, einschließlich Bakterien und Pilze) für die Gesundheit und Fitness viel größerer mehrzelliger Organismen wie uns selbst, aber auch beispielsweise von Pflanzen. Im Rahmen dieses Projekts wird die potenzielle Rolle der einheimischen Mikrobiota in verschiedenen Aspekten der Keimung von in Österreich angebauten Sojabohnen (Glycine max L.) untersucht. Zu diesem Zweck wurde eine interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Saatgutwissenschaftlern an der Universität Innsbruck und Mikrobiologen am Austrian Institute of Technology (AIT) aufgebaut. Mit Hilfe der Amplikon-Sequenzierung konnten wir die Bakterien identifizieren, die im Inneren (so genannte Endopyhtes) und auf den Sojabohnen (so genannte Epiphytes) leben und wie sich die Gemeinschaft während der Keimung der Samen verändert. Unsere Ergebnisse zeigten, dass die Wasseraufnahme durch den Samen zu einer Umverteilung der Epiphyten führte, so dass sie später während der Keimung zu Endophyten wurden. Darüber hinaus war der Abbau der Energiereserven des Samens und der damit verbundene Stoffwechsel wesentlich für die Zunahme der Abundanz, des so genannten Reichtums, der Mikrobiota, insbesondere derjenigen, die schnell wachsen und die verfügbaren Nährstoffe nutzen konnten. Diese Ergebnisse können kostenlos (open access) in der Zeitschrift Phytobiomes (https://doi.org/10.1094/PBIOMES-03-23-0019-MF) nachgelesen werden. Darüber hinaus sind unsere Ergebnisse für die Landwirtschaft von Bedeutung, da sie zeigen, dass das Aufbringen von Bakterien auf die Samenschale, z. B. in Form von Pellets, ein geeignetes Mittel wäre, damit wachstumsfördernde Bakterienstämme während der Keimung aufgenommen werden können. Wir untersuchten auch, ob einheimische Saatgutbakterien eine positive Rolle für die Keimung von Saatgut spielen könnten. Zu diesem Zweck wurden über 200 Bakterienisolate aus Sojabohnen isoliert, was zu 47 einzigartigen Taxa führte.Wir fanden heraus, dass wir die größte bakterielle Vielfalt isolieren konnten, wenn wir die Nährstoffverfügbarkeit des Wirts nachahmten (in diesem Fall durch Verwendung von Sojamilch oder gemahlenen Samen als Wachstumsmedium) (https://doi.org/10.1128/spectrum.00172-22). Anschließend testeten wir die Fähigkeit dieser Bakterien, die Keimung von Saatgut mit geringer Vitalität zu beeinflussen, das anfällig für Pilzbefall ist. Interessanterweise waren die Bakterien, die die Keimung von schwachwüchsigen Samen förderten, auch antagonistisch gegenüber dem Pilzwachstum. Wir haben die Beziehung zwischen Samen und Bakterien weiter untersucht, um zu verstehen, warum diese Bakterien die Keimung von Samen fördern. Wir hoffen, unsere Forschung durch die Durchführung von Feldversuchen im Rahmen einer künftigen Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie weiter auszubauen und unser Verständnis für die spezifischen Beziehungen, die Pflanzen mit bestimmten Bakterien eingehen können, zu vertiefen.