sind Gemeinschaften von Bakterien, Pilzen, Viren und anderen mikroskopisch kleinen Tieren (wie Protozoen, Nematoden und andere), die in- und auf allen Pflanzenteilen, über und unter der Erde leben. Wie bei Tieren und Menschen ist das Pflanzenmikrobiom essentiell für a) das Pflanzenwachstum – durch Unterstützung der Nährstoffaufnahme und b) die Gesundheit und Fitness – durch die Abwehr von Krankheitserregern und die Erhöhung der Stressresistenz der Pflanze.

Im Boden, in einem engen Raum um die Wurzel (auch “Rhizosphäre” genannt), wird mit Hilfe von Chemikalien, die von der Pflanzenwurzel freigesetzt werden, und zwischen den Mikroben selbst eine sehr hoch entwickelte mikrobielle Gemeinschaft aufgebaut. Diese Gemeinschaft steht in einer symbiotischen Beziehung mit der Wirtspflanze und wird oft als rhizosphärisches Mikrobiom bezeichnet. Einige bakterielle Mitglieder des rhizosphärischen Mikrobioms sind als die einzigen lebenden Organismen auf unserem Planeten bekannt, die gasförmigen Stickstoff aus der Atmosphäre binden können. Stickstoff ist der Grundbaustein aller Aminosäuren (Grundeinheiten von Proteinen) und Nukleinsäuren (Grundeinheiten von DNA und RNA) und daher gäbe es ohne diese kleinen Lebewesen kein Leben auf der Erde (oder zumindest nicht in der Form, wie wir es kennen).

Pflanzenwachstum und Ernteerträge können durch die Zugabe von Mikroben zum Mikrobiom der Rhizosphäre verbessert werden. Diese speziellen Mikrobenmischungen können die Aufnahme von Stickstoff, Phosphor, Kohlenstoff und anderen Nährstoffen aus dem Boden verbessern und werden “Bio-Dünger” genannt. Weltweit gibt es Bestrebungen, traditionelle synthetische stickstoff- oder phosphorhaltige Düngemittel, die langfristig negative Auswirkungen auf die Umwelt haben, durch Biodünger zu ersetzen. Es wird geschätzt, dass der globale Markt für Biodünger in den nächsten 5-7 Jahren mehr als $3 Milliarden erreichen wird.

Weiterhin gibt es mikrobielle Gemeinschaften, die auf den Pflanzenoberflächen (genannt “Epiphyten”) und in den Pflanzengeweben (genannt “Endophyten”) leben. Epiphytische Mikroben auf den Pflanzenoberflächen oberhalb des Bodens, wie Blätter, Stängel oder Blüten, werden als Phyllosphären-Mikrobiom bezeichnet. Mikrobielle Gemeinschaften innerhalb des Pflanzengewebes, entweder in den Wurzeln oder in den oberirdischen Teilen, werden als Endosphären-Pflanzenmikrobiome bezeichnet. Die Integrität des Phyllosphären- und Endosphären-Mikrobioms ist von großer Bedeutung für die Resistenz von Pflanzen gegenüber pflanzenfressenden Tieren (Herbivoren) und mikrobiellen Pathogenen. Viele Forscher und große Unternehmen sind daran interessiert, Formulierungen von nützlichen Pflanzenmikroben zu entwickeln, die oft als “Biopestizide” bezeichnet werden und anstelle von konventionellen chemischen Pflanzenschutzmitteln in der Phyllosphäre und an den Wurzeln eingesetzt werden sollen.

Saatgut-Mikrobiome sind mikrobielle Gemeinschaften auf Pflanzensamen. Wie das Mikrobiom des menschlichen Säuglings (siehe “Menschliche Mikrobiome”) spielen Samenmikrobiome eine wichtige Rolle bei der Gestaltung des zukünftigen “erwachsenen” Pflanzenmikrobioms und beeinflussen das Pflanzenwachstum, die Gesundheit und die Immunität. Das loser-Boden-Mikrobiom umfasst im Grunde alle mikrobiellen Gemeinschaften im umgebenden Boden und ist als Reservoir einer enormen mikrobiellen Vielfalt äußerst wichtig. 

In den letzten Jahren gehen die Entwicklungen im Bereich des Pflanzenmikrobioms von traditionellen Methoden (wie anorganischen oder organischen Bodenzusätzen) hin zu gezielteren Ansätzen. Zum Beispiel basieren aktuelle Biopestizide und Biodünger meist auf relativ einfachen mikrobiellen Mischungen: typischerweise Bakterien, die die Verwertung von Stickstoff oder Phosphor durch Pflanzen unterstützen, oder nützliche mikrobielle Spezies, von denen bekannt ist, dass sie vor Pathogenen schützen oder Pflanzenresistenz induzieren.

Mit der Weiterentwicklung der Technologien erwarten wir einen stärker fallspezifischen Ansatz, ähnlich der “personalisierten Medizin” beim Menschen. Zum Beispiel haben Forscher bereits erfolgreich Anwendungen von genau definierten komplexen mikrobiellen Gemeinschaften (so genannte Artificial Microbial Communities, AMCs) erprobt. Einige wenige Firmen weltweit sind bereits engagiert und verkaufen AMC-basierte Produkte.

Eine andere Idee ist es, ausgewählte Mikrobiome künstlich zu züchten (z. B. im Boden) oder Mikrobiome von einer Pflanze in eine andere zu “verpflanzen” und so gewünschte Eigenschaften einzuführen. In dem Maße, wie wir beginnen, den Austausch von Chemikalien zwischen Pflanzen und ihren Mikrobiomen besser zu verstehen, eröffnen sich Möglichkeiten zur Induktion oder Zugabe spezifischer pflanzlicher Metaboliten oder mikrobieller Signalmoleküle.

In Anbetracht des globalen Bevölkerungswachstums und der anhaltenden Klimaveränderungen sind gute Erträge und robuste Nutzpflanzen, Obst, Gemüse und andere wichtige Pflanzen für Mensch und Tier einfach unverzichtbar. Daher müssen Investitionen in die Erforschung und Entwicklung von Pflanzenmikrobiomen zu unseren obersten Prioritäten gehören und stehen ganz oben auf der Agenda von Microbiome Power!