Pflanzen nutzen Sonnenlicht, um in der Photosynthese aus Wasser und Kohlendioxid energiereiche Kohlenstoffverbindungen wie Glukose herzustellen. Die Kohlenstoffverbindungen werden auch in die Wurzel transportiert und treiben dort das Wachstum und Entwicklung der Pflanze an.
Von dem über die Photosynthese gewonnenen Kohlenstoff geben sie einen beträchtlichen Teil in Form organischer Substanzen über die Wurzeln in den Boden ab, wovon Mikroorganismen profitieren. Wie das genau funktioniert, haben Forschende der Universität Bonn in Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Jülich und weiteren Partnern untersucht.
Mikroorganismen im Boden sind stark eingeschränkt in ihrem Wachstum, weil dort nur wenig energiereiche Kohlenstoffverbindungen verfügbar sind. Rund um die Wurzel – die sogenannte Rhizosphäre – ist das anders: Pflanzen scheiden hier organische Substanzen aus, die den Mikroben als Energiequelle dienen. Gleichzeitig unterstützen im Gegenzug viele Mikroorgansimsen die Fitness der Pflanzen, etwa bei der Nährstoffversorgung, beim Schutz vor Krankheitserregern oder bei Stress durch Trockenheit.
Die zentrale Frage, die die Forschenden verfolgten: Steuern Pflanzen die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften, die sich an ihren Wurzeln ansiedeln? Die Ergebnisse zeigen: Zumindest teilweise. Die Daten an Maispflanzen deuten darauf hin, dass eine Selektion entlang der Wurzel stattfindet. Pflanzen geben ihre Ressourcen nicht gleichmäßig an die Umwelt ab. Unterschiedliche Gruppen von Mikroorganismen profitieren an verschiedenen Stellen der Wurzel und siedeln sich entsprechend vermehrt dort an, sodass sich die Zusammensetzung des Mikrobioms entlang der Wurzel verändert.
Die untersuchten Maispflanzen wurden in Jülich kultiviert. Um die Prozesse sichtbar zu machen, brachten die Forschenden am Institut für Pflanzenwissenschaften des Forschungszentrums Jülich ihre besondere Expertise ein: die Kombination von Magnetresonanztomographie (MRT) und Positronen-Emissions-Tomographie (PET). Die MRT machte die Architektur der Maiswurzeln im Boden sichtbar und erlaubte, diese genau zu vermessen. Mithilfe der PET und des kurzlebigen radioaktiven Tracers 11CO₂ konnten die Forschenden sichtbar machen, wie der bei der Photosynthese gebundene Kohlenstoff in Form von Zucker seinen Weg durch das Wurzelsystem nimmt.
Durch die Kombination beider Verfahren konnten die Jülicher Forschenden erstmals zerstörungsfrei und hochauflösend zeigen, dass sich in verschiedenen Wurzelregionen sehr unterschiedliche Mengen an Zucker anreichern. Das machte es möglich, gezielt verschiedene Wurzeltypen und -abschnitte auszuwählen und ihre Mikrobengemeinschaften zu analysieren. Ergänzend kam eine stabile 13CO₂-Markierung zum Einsatz, um nachzuvollziehen, welche Mikroorganismen die ausgeschiedenen Zucker tatsächlich nutzen – und wie sie auf die ungleiche Verteilung in der Rhizosphäre reagieren. Die Analysen der mikrobiellen Gemeinschaften führten die Teams der Universitäten Bonn und Köln durch.
Ein besseres Verständnis dieser Prozesse könnte langfristig dabei helfen, nützliche Mikroorganismen gezielt im Pflanzenschutz oder zur Wachstumsförderung einzusetzen – etwa um Pflanzen widerstandsfähiger gegen Trockenheit oder Krankheitserreger zu machen. Für die Landwirtschaft sei das besonders relevant: Der Einsatz sogenannter Biologicals oder Biostimulanzien zeige bislang sehr unterschiedliche Wirkungen. Detailliertes Wissen über Zuckerflüsse und Mikrobengemeinschaften könnte solche Ansätze künftig deutlich zuverlässiger machen.
