A2.2 Phyllosphäre: Mikrobielles Phyllobiom [funded by LOEWE]


PI(s) for this project:


Peter Kämpfer
Prof. Dr. rer. nat. Karl-Heinz Kogel
Prof. Dr. Annette Reineke

Abstract:

Der oberirdische Teil von Pflanzen ist kolonisiert von einer Vielzahl von Bakterien, filamentösen Pilzen und Hefen, wobei Bakterien den Hauptanteil der Mikroorganismen ausmachen. Epiphytische (auf der Pflanzenoberfläche, Phyllosphäre, angesiedelte) und endophytische (im Pflanzengewebe angesiedelte) Mikroorganismen (im Folgenden zusammengefasst als Phyllobiom) haben einen beträchtlichen Einfluss auf das Wachstum und die Gesundheit von Pflanzen. Die Zusammensetzung des Phyllobioms hängt stark von der Pflanzenart und von verschiedenen Umweltfaktoren ab. Die Veränderung von abiotischen Umweltfaktoren kann zu strukturellen und funktionellen Verschiebungen des Phyllobioms führen. Drei funktionelle Gruppen spielen in diesen Habitaten eine wichtige Rolle, pflanzenwachstumsfördernde, antagonistische und phytopathogene Mikroorganismen. Bedeutende pflanzenwachstumsfördernde Bakterien sind methylotrophe Bakterien der Gattung Methylobacterium. Diese nutzen bei der Pflanzen¬zellwand¬synthese ausgasendes Methanol als Substrat und bilden im Gegenzug pflanzen¬wachstums¬fördernde Hormone. Methylobakterien haben nachweislich wachstums-stimulierende Effekte auf Pflanzen und agieren als Antagonisten gegen phytopathogene Mikroorganismen. Das Vorkommen antagonistisch wirkender Pilze an oberirdischen Teilen der Pflanze ist generell weniger gut untersucht, so dass hier neue Erkenntnisse zu erwarten sind. Endophytische Pilze (u.a. Epicloe (Ascomycota) an Gräsern (Poaceae)) haben in spezi¬fischen Phasen ihrer Entwicklung eine positive Wirkung auf ihre Wirtspflanzen, insbesondere ver¬mitteln sie Schutz gegen Herbivore und Pathogene und scheinen auch die Toleranz gegenüber abiotischem Stress zu erhöhen. Neben phytopathogenen Mikroorganismen können sich potenzielle Humanpathogene in der Phyllosphäre ansiedeln mit besonderer Bedeutung für den Feldgemüseanbau.
Es gibt derzeit keine umfassenden Studien, die den Einfluss des zu erwartenden Klimawandels auf die Zusammensetzung und Aktivität des Phyllobioms und damit auf Pflanzen untersuchen. Bisher gibt es nur einzelne Studien, die Effekte erhöhter CO2-Konzentrationen auf spezifische Pflanzen-Pathogen Interaktionen zeigen. Unter erhöhtem CO2 wurde in Abhängigkeit von der Pflanzenart und dem phytopathogenen Pilz sowohl eine Abnahme als auch eine Zunahme der Pflanzen-erkrankungen beobachtet, was keine generalisierenden, verlässlichen Aussagen über die tatsächlichen Auswirkungen globaler Veränderungen von CO2 und Temperaturprofilen zulässt.



Description:

Wissenschaftliche Ziele:
1. Untersuchung der Effekte erhöhter CO2-Konzentration auf das Phyllobiom im Dauergrünland (Core-Experiment I), an Reben sowie ausgewählten Feldgemüsekulturen (Core-Experiment II) sowie der Auswirkungen auf Pflanzenwachstum und –gesundheit (in Zusammenarbeit mit AP A3.2).
2. Quantifizierung der Effekte von erhöhtem CO2 auf die Abundanz und Aktivität pflanzen-wachstumsfördernder, antagonistischer, sowie phyto- aber auch potentiell humanpathogener Mikroorganismen.
 

Arbeitsplan:

Es ist geplant, umfassende molekularbiologische Diversitäts¬analysen des Phyllobioms durchzuführen, wobei sowohl Bakterien als auch Pilzpopulationen detailliert betrachtet werden sollen. Von jedem FACE-Experiment (Core-Experiment-I, II und Reben) werden zu je zwei ausgewählten Zeitpunkten einer Wachstumsphase in zwei aufeinanderfolgenden Jahren Proben genommen. Pro Versuchsansatz werden Blätter von 3 bis 5 Pflanzen „gepoolt“ analysiert. Im Rahmen des Core-Experiment I werden dabei mindestens 5 verschiedene Gräser vergleichend untersucht werden. Für die Analyse des Phyllobioms wird von diesen Proben genomische DNA extrahiert. Die DNA-Extraktion von Trauben wurde bereits in der AG Reineke, die von Blättern in der AG Kämpfer etabliert. Die Analyse des bakteriellen Phyllobioms erfolgt über die Amplifikation eines Teilfragmentes des 16S rRNA Gens mit universellen Primern und anschließender 16S-454 Pyrotag Sequenzierung. Pro Probe werden dabei etwa 5000 reads generiert, die phylogenetisch identifiziert werden. Äquivalent dazu wird aus denselben Proben das pilzliche Phyllobiom analysiert. Hierbei sollen universelle Primer für die Amplifikation der pilzlichen ribosomalen ITS-1 Region eingesetzt werden. Über phylogenetische Zuordnung können Verschiebungen in der Abundanz wachstumsfördernder, antagonistischer bzw. phyto- und potenziell humanpathogener Mikroorganismen erfasst und in Abhängigkeit von CO2 und Temperaturerhöhung (Core-Experiment I) mit pflanzenbezogenen Daten, korreliert werden (Zusammenarbeit mit AP A3.2). Ein parallel durchgeführter kultivierungsabhängiger Unter-suchungsansatz ermöglich die Erfassung abundanter Vertreter des mikrobellen Phyllobioms, welche wichtig sind für detaillierte Untersuchung in der Verstetigungsphase.