Pflanzen haben im Laufe der Evolution raffinierte Wege entwickelt, um lebenswichtige Nährstoffe aus dem Boden zu holen, selbst wenn diese in schwer löslichen Formen vorliegen. Eine neue Studie unter der Leitung von Paul Schulze-Lefert vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln, in Zusammenarbeit mit Ricardo F. H. Giehl vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung in Gatersleben, zeigt nun, wie die Modellpflanze Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana ihre chemische Kommunikation mit wurzelassoziierten Bakterien an unterschiedliche Bodenbedingungen anpasst, um Eisen effizient aufzunehmen – sowohl in sauren als auch in kalkhaltigen Böden. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Cell veröffentlicht.
Eisen ist für Wachstum und Entwicklung von Pflanzen unverzichtbar, liegt in vielen Böden jedoch überwiegend in unlöslichen Verbindungen vor. Als Reaktion auf Eisenmangel setzen Wurzeln spezialisierte Moleküle, sogenannte Cumarine, in die Rhizosphäre frei. Arabidopsis passt dabei die freigesetzten Varianten an den pH-Wert des Bodens an: In sauren Böden überwiegt Sideretin, in kalkhaltigen Böden mit neutralem oder leicht alkalischem pH-Wert Fraxetin. Diese Moleküle helfen, Eisen zu mobilisieren. Paradoxerweise leiden Pflanzen ohne ihre bakterielle Wurzelmikrobiota weiterhin unter Eisenmangel. Frühere Arbeiten hatten bereits gezeigt, dass wurzelassoziierte Bakterien die Überwindung von Eisenmangel unterstützen, wobei Fraxetin in kalkhaltigen Böden eine Schlüsselrolle spielt. Unklar blieb jedoch, wie die pH-angepassten Cumarine mit den Bakterien zusammenwirken.
Mithilfe genetischer und chemischer Ansätze fanden die Forschenden heraus, dass Sideretin und Fraxetin mit zahlreichen wurzelassoziierten Bakterien kommunizieren und so Eisen besser verfügbar machen. Die pH-abhängige Freisetzung der Cumarine erfolgt zwar auch ohne Mikroben, ihre volle Wirkung entfalten sie jedoch erst im Zusammenspiel mit der Mikrobiota. Bei saurem pH-Wert reduziert Sideretin dreiwertiges Eisen zu der löslicheren zweiwertigen Form; eine oxidierte, inaktive Form des Cumarins bleibt zurück. Bakterien interagieren über einen Redox-Sensor-Mechanismus mit diesem Molekül und nehmen das verbrauchte Sideretin offenbar auf, um die aktive Form wieder in die Rhizosphäre freizusetzen – ein bakterieller „Redox-Shuttle“. Bei neutralem oder leicht alkalischem pH-Wert interagiert Fraxetin dagegen mit bakteriellen Siderophoren, Molekülen, die Bakterien selbst zur Eisenversorgung freisetzen, und lenkt einen Teil des mobilisierten Eisens zur Pflanze um. Beide Mechanismen sind in der Wurzelmikrobiota weit verbreitet und dürften sich lange vor dem Auftreten der Landpflanzen entwickelt haben. Die meisten geprüften Bakterien schützten Pflanzen unter verschiedenen pH-Bedingungen im Labor vor Eisenmangel, unabhängig davon, ob sie ursprünglich aus eisenreichen oder -armen Böden stammten. Die pH-abhängige Cumarin-Freisetzung erscheint damit als adaptives Merkmal, das Pflanzen ermöglicht, in mikrobiellen Umgebungen mit schwankendem Boden-pH-Wert Eisen aufzunehmen.
Ähnliche Kooperationen zeigen sich auch bei anderen Nährstoffen. In einer aktuellen Studie eines internationalen Teams, an der ebenfalls Paul Schulze-Lefert beteiligt war, wurde gezeigt, dass Arabidopsis bei Phosphormangel das Molekül Malat freisetzt. Es wirkt weniger als direkter Extraktor, sondern als „Hilferuf“, der phosphorlösende Bakterien an die Wurzeloberfläche lockt. Dort verwerten die Bakterien von der Pflanze bereitgestellte Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen und setzen Phosphor aus ansonsten unzugänglichen Quellen frei, was sowohl ihr eigenes Wachstum als auch das der Pflanze unterstützt.
Obwohl die Mechanismen für Eisen und Phosphor unterschiedlich sind, setzen Pflanzen bei Bedarf spezifische Moleküle frei, die umgebende Mikroorganismen dazu veranlassen, das Wachstum zu fördern. Dieses Wissen eröffnet Perspektiven für die Entwicklung gezielter Bio-Düngemittel-Mikroorganismen oder biomimetischer Moleküle, die den Einsatz synthetischer Düngemittel reduzieren könnten. „Pflanzen haben noch nie ohne Mikroben existiert und viele ihrer Eigenschaften spiegeln wahrscheinlich diese gemeinsame Geschichte wider. Die Untersuchung der molekularen Grundlagen vorteilhafter Wechselwirkungen mit ihrer Mikrobiota wird neue Möglichkeiten für eine nachhaltige Landwirtschaft eröffnen“, sagt Milena Malisic.
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