Reis Endophyten metagenom

Auf Grund der globalen Bedeutung sowie des kleinen Genoms wird Reis vielfach als Modellpflanze untersucht. Es besteht weltweit großes Interesse Interaktionen zwischen Reis und der assozierten Mikroflora besser zu verstehen und benefizielle Effekte in einer nachhaltigen Landwirtschaft einzusetzen. Da ein Großteil der natürlich vorkommenden Mikrrorganismen nicht kultiviert werden kann, müssen kultivierungs-unabhängige Methoden wie die Metagenomik eingesetzt werden um die Funktion von Mikroorganismen besser zu verstehen. Daher wurde der DOE (US Department of Energy and Health; DOE Microbial Genome Program) das Reis Endophyten Metagenom zur Sequenzierung vorgeschlagen und 2006 seitens DOE angenommen. Ein Konsortium von vier Partnern (Dr. Sessitsch, ARC; Prof. Reinhold-Hurek, Univ. of Bremen; Prof. van Elsas, Univ. of Groningen und Dr. Brar, IRRI) beteiligte sich bei der Isolierung von Endophyten aus Reis und nachfolgender Aufreinigung von DNA. Das JGI (Joint Genome Institute) stellte Genbanken her und begann mit der Sequenzierung. Mit einer Fertigstellung wird August 2008 gerechnet. Das Ziel dieses Projekts ist es mittels Sequenzanalyse Informationen über funktionelle Aktivitäten von bisher nicht kultivierten Mikroorganismen sowie ein besseres Verständnis über einen endophytischen Lebensstil zu erhalten. Weiters sollen die Abundanz jener Endophyten mit interessanten funktionellen Eigenschaften und der Genexpression der beteiligten Gene in verschiedenen Reissorten, die in mehreren Böden und unter verschiedenen Bedingungen kultiviert werden, näher untersucht werden.

Pflanzen sind mit komplexen, mikrobiellen Gemeinschaften assoziiert. Diese leben vorwiegend im Wurzelraum (der Wurzelsphäre) oder in der Pflanze. Die letztere Gruppe wird als Endophyten bezeichnet und umfasst Mikroorganismen, die vorwiegend aus dem Boden stammen und die Pflanze systematisch besiedeln können. Pflanzen-assoziierte Mikroorganismen sind für ihre benefizielle Eigenschaften bekannt, welche die Verdrängung bzw. die direkte Abwehr von Pflanzenpathogenen umfasst sowie die Mobilisierung von Nährstoffen und Pflanzenstärkende Effekte. Unser Wissen über Pflanzen-assoziierte Mikroorganismen, insbesondere über Endophyten, beruht vorwiegend auf der Analyse von einzelnen, isolierten Bakterienstämmen. Jedoch ist allgemein bekannt, dass der Großteil der natürlichen Mikroorganismen nicht kultivierbar ist. Das Ziel dieses Projekts war es daher die Ökologie und die Funktionen von Endophyten ungeachtet ihrer Kultivierbarkeit zu erforschen. Wir wählten Reis als Wirtspflanze aus, da Reis weltweit von großer Bedeutung ist und wachstumsfördernde Bakterien vielfach gefunden wurden. Unsere Studien wurden vom US Department of Energy durch die Durchführung der Sequenzierung durch das Joint Genome Institute (JGI) unterstützt. Wir ernteten Reispflanzen am Internationalen Reisforschungsinstitut in den Philippinen, extrahierten endophytische Zellen aus den Wurzeln, isolierten die DNA und schickten sie zum JGI zur Sequenzierung. Die Analyse des Metagenoms, den Genomen aller Endophyten, ergab neue Informationen bzgl. der Charakteristika, die für endophytische Besiedelung benötigt werden. Dieses Verständnis wurde durch eine vergleichende Genomanalyse von mehreren endophytischen Bakterienstämmen unterstützt. Generell scheinen Endophyten zellulolytische Enzyme für die endophytische Besiedelung zu verwenden und sind gut ausgerüstet mit detoxifizierenden Enzymen, die Endophyten vor oxidativem Stress schützen. Obwohl Endophyten unterschiedliche Strategien hinsichtlich ihrer Interaktion mit der Pflanze und anderen Endophyten zu haben scheinen, verwenden sie teilweise komplexe Kommunikationswege, haben eine hohe Anzahl an Transkriptionsregulatoren sowie die Fähigkeit komplexe organische Verbindungen abzubauen. Im Zusammenhang mit dem C- und N-Zyklus fanden wir sowohl Methanogene Archeen als auch methanotrophe Bakterien unter den Endophyten. Weiters fanden wir Bakterien, die den gesamten N-Zyklus abdeckten, i.e. N-fixierer, Denitrifizierer sowie Nitrifizierer. Wir untersuchten im Detail methanogene und methanotrophe Gemeinschaften in mehreren Reissorten, die in mazedonischen Feldern kultiviert wurden. Sowohl Methanogene als auch Methanotrophe waren sehr divers und aktiv. Weiters konnten wir zeigen, dass Endophytengemeinschaften hoch divers sind und Wurzeln und Stängel von sehr unterschiedlichen Gemeinschaften besiedelt sind. Generell konnten wir zeigen, dass Endophyten in Reispflanzen philippinischer Herkunft ähnliche Funktionen aufwiesen wie jene mazedonischer Herkunft, was auf konservierte Funktionen in Endophytengesellschaften schließen lässt. Der Beitrag endophytisch lebender Methanogene und Methanotrophe zu globalen Methanemissionen bedarf weiterer Untersuchung.