Analyse von Metabolom- und Mikrobiomdiversifizierung

In den letzten Jahren wurde das Pflanzenmikrobiom intensiv studiert und dabei erkannt, dass Pflanzen- assoziierte Mikroorganismen essenzielle Interaktionen mit ihrer Wirtspflanze für Wachstum und Gesundheit eingehen. Dennoch sind viele Interaktionen und Funktionen, wie der Einfluss des Mikrobioms auf das Metabolom, wenig verstanden. Pflanzen nutzen einerseits Metabolite, um die Struktur ihrer assoziierten mikrobiellen Gemeinschaften gezielt zu formen; andererseits gibt es auch Beispiele, dass Pflanzen-assoziierte Mikroorganismen Einfluss auf den metabolischen Fingerabdruck ihrer Wirtspflanze haben und dabei Chemovarianten ausprägen. Das Ziel dieses Projektes ist es, herauszufinden, ob und wie das chemische Profil einer Pflanze mittels Pflanzen-assoziierter Mikroorganismen gesteuert werden kann. Für die Studie der Zusammenhänge zwischen mikrobiellen Gemeinschaften und Pflanzenmetaboliten wurden zwei Asteraceae Arzneipflanzen als Modelpflanzen ausgewählt, die sich durch einen besonders reichen Sekundärstoffwechsel an Flavonoiden, Sesquiterpenen und Triterpenen auszeichnen, aber unterschiedliche chemischen Profile besitzen und weltweit angebaut und medizinisch genutzt werden: Kamille (Matricaria chamomilla L.) und Ringelblume (Calendula officinalis L.). Wir nutzen ein vernetztes experimentelles Design, welches es ermöglicht, (i) den Effekt des Bodenmikrobioms auf das Pflanzenmetabolom zu analysieren, (ii) ein Modell zur Vorhersage der Metabolitproduktion zu entwickeln, (iii) gezielte Inokulationsexperimente zur Verifizierung der Korrelation durchzuführen, sowie (iv) die funktionellen Verflechtungen des Rhizosphärenmikrobioms im Detail mittels Metagenomanalyse aufzuklären. Ein kombinierter methodischer Ansatz basierend auf meta-omics-Technologien wird hierbei zur Anwendung kommen, um Pflanzen aus natürlichen Ökosystemen sowie aus spezifisch entwickelten Laborsystemen zu analysieren. Vielversprechende Zusammenhänge werden unter streng kontrollierten Bedingungen im Detail evaluiert. Unser Ziel ist es, die Verlinkung von Pflanzenmikrobiom und -metabolom zu verstehen und somit Pflanzen als Bioressource für therapeutisch und biotechnologisch relevante Inhaltsstoffe besser und gezielter zu nutzen.

Die co-evolvierte und spezifisch zusammengesetzte pflanzliche Mikrobiota repräsentiert eine enorme Biodiversität auf der Erde. Weniger bekannt ist jedoch die funktionelle Diversität und ob sie mit der strukturellen Diversität korreliert. In der vorliegenden Studie wurden beide analysiert, indem die Mikrobiota von drei Arzneipflanzen, welche in Wüstenökosystemen unter ökologischem Landbau angebaut wurden, an der Wurzel-Boden-Grenzfläche erforscht wurde. Zwischen allen untersuchten Mikrohabitaten (Boden, Rhizosphäre, Endorhiza) und Pflanzenarten (Kamille, Ringelblume, Nachtschattengewächs) wurden signifikante Unterschiede in der strukturellen Diversität beobachtet. Für jede Pflanzenart wurden spezifische Gattungen identifiziert. Um diesen pflanzengetriebenen Effekt für das funktionelle Verständnis zu erforschen, wurden vertiefende Metagenomik-Analysen für die Rhizosphärenproben durchgeführt, welche die größten Unterschiede in ihrer Zusammensetzung aufwiesen. Alle Mikrobiome der Rhizosphäre waren jedoch durch ähnliche Funktionen gekennzeichnet, die hauptsächlich i) Pflanzenernährung und metabolisches Zusammenspiel (z. B. Transport und Metabolismus von Ionen, Aminosäuren, Vitaminen, Lipiden und Kohlenhydraten, Biosynthese, Transport und Katabolismus von Sekundärmetaboliten), ii) Pflanzengesundheit (z. B. Abwehrmechanismen, Chaperone) und iii) biogeochemische Kreisläufe umfassten. Vieles befürwortet die hohe Aktivität, welche für die Wurzel-Boden-Grenzfläche bekannt ist. Binning führte zu 298 Metagenom-assemblierten Genomen (MAGs); ihre Taxonomie bestätigte pflanzenspezifische Bakterien. Drei ausgewählte pflanzenspezifische MAGs für jede Pflanze bestätigten die aus dem Metagenom gewonnenen Rhizosphärenfunktionen, zeigten Multifunktionalität und trotz taxonomischer Unterschiede funktionelle Ähnlichkeit. Sphingobium, Pseudomonas und Gemmatirosa trugen multifunktional zur Gesamtfunktion der Rhizosphäre bei; die höchste Anzahl von 79 codierten Rhizosphären-Kernfunktionen wurde für das multifunktional ausgestattete Sphingobium MAG beobachtet. Die Studie deckte funktionelle Ähnlichkeiten in strukturell unterschiedlichen Mikrobiomen der Rhizosphäre auf und unterstreicht die Bedeutung der Funktion und Vielfalt der Rhizosphäre für die Gesundheit von Pflanzen und Ökosystemen.