Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

Bælgplanter kontrollerer infektion af rodknolde med gavnlige og ikke-patogene bakterier

Nye forskningsresultater viser, at bælgplanter selektivt regulerer symbiotiske (gavnlige) og endofytiske (ikke-patogene) bakteriers adgang til rodknolde. Dette giver et solidt grundlag for at identificere og udvælge gavnlige endofytiske bakterier sammen med meget effektive kvælstofbindende knoldbakterier til anvendelse som biogødning i bæredygtigt landbrug. Herudover bidrager resultaterne til en mere generel forståelse af, hvordan højere organismer kontrollerer mikrobers adgang.

22.06.2015 | Lisbeth Heilesen

Figuren viser rodknolde, der er koloniseret af symbionter (grøn) og af endofytter (rød). Både symbionter og endofytter får adgang til rodknolden via infektionstråde induceret af symbionten. Endofytten koloniserer effektivt både intra- og intercellulære områder i knolden.

Planter har udviklet mekanismer til at bekæmpe sygdomsfremkaldende bakterielle infektioner, men i bælgplanter tillades kvælstofbindende bakterier at trænge ind i roden og etablere sig i rodknolde, da de er til gavn for planten. Bælgplanters rodknolde er et unikt postembryonisk organ, som i naturen og på marken er vært for flere symbiotiske og endofytiske bakterier. Dannelsen af knolden induceres af de symbiotiske kvælstofbindende bakterier, og genetiske undersøgelser af interaktionen mellem bælgplanter og de organismer, de lever i symbiose med, førte til opdagelsen af de nøglekomponenter, der er basis for gensidig genkendelse og efterfølgende infektion af rodknolde. I modsætning hertil er der begrænset viden om, hvordan endofytter inficerer rodknolden, om værtsplanten kontrollerer infektionen, og om den symbiotiske bakterie spiller en rolle, når endofytter koloniserer rodknolde. Det er det forskerholdet fra Aarhus har valgt at undersøge.

Bælgplantens symbiose med kvælstofbindende, knoldinducerende Rhizobium er et godt eksempel på en interaktion, som er meget selektiv og har et klart defineret vært/ikke-værtsplante-mikrobe forhold. Til trods for denne specifikke interaktion viser undersøgelser af bakterier isoleret fra knolde af bælgplanter, der vokser i forskellige miljøer og jordtyper, at knoldene indeholder både symbionter og endofytiske bakterier.

På marken kan det påvirke effektiviteten af den symbiotiske kvælstofbinding, og dermed plantevæksten, negativt, hvis økonomisk vigtige bælgplanter accepterer svage symbionter eller endda ikke-symbionter inde i knoldene. Det er en stor udfordring for landbruget at opretholde bestande af konkurrencedygtige symbionter i jorden og sikre, at det er de mest effektive kvælstofbindende bakterier, der er fremherskende - dette parameter begrænser dyrkningen af bælgplanter på mange jorder verden rundt.

Men i naturen, hvor bælgeplanternes etablering i økosystemer er fattige på næringsstoffer, og hvor fuldt kompatible, højeffektive kvælstofbindende symbionter ofte enten ikke findes eller har en lav titer, kan disse endofytiske bakterier have en anden rolle, som muligvis er gavnlig for planten.

Forskerne studerede, hvordan både værten og den symbiotiske mikrobe havde indflydelse på endofyt-infektionen af japansk kællingetand (Lotus japonicus) og udvikling af knolde med en blandet kolonisering. Forskerne påviste, at når bælgplanter er udsat for en blandet bakteriel kultur, regulerer de selektivt adgangen af bakterier til rodknolden, som er en specialiseret miljømæssige niche. Aarhus-forskernes undersøgelse viste, at de genetiske ressourcer, der er til rådighed i deres modelbælgplante – kombineret med inokuleringsstrategier – giver gode muligheder for at identificere de mekanismer, der styrer denne kompatibilitet, så der er mulighed for at målrette en videre indsats.

Disse resultater kan bruges i fremtidige undersøgelser til at identificere gavnlige mikrober med forbedret kolonisering af værtsplanter, ligesom de giver et solidt grundlag for at identificere og udvælge gavnlige endofytiske bakterier sammen med meget effektive kvælstofbindende knoldbakterier til anvendelse som biogødning i bæredygtigt landbrug.


Baggrund

Planter udvikler deres rodsystem i jord, der er rig på mikrober (ofte mere end 109 pr gram jord), og de har avancerede mekanismer til at identificere de gavnlige mikrober. Derfor er det udover egentlige symbionter kun såkaldte endofytter, der er i stand til at kolonisere de interne væv med minimale eller ingen skader på værtsplanten.

Aarhus-forskernes arbejde fokuserer på de tidlige faser i infektionen af rodknolde for at identificere, hvilke molekylære signaturer og genetiske komponenter der tillader endofytternes adgang til rodknoldene. Forskerholdet anvendte planter dyrket sammen med et udvalg af endofytiske bakterier samt den effektive symbiont og påviste, at både komplekse vært-mikrobe og mikrobe-mikrobe interaktioner styrer processen i bælgplanter dyrket under kontrollerede forhold. Deres resultater viste, at bælgplanters rodknolde udgør et unikt nichemiljø med et tilpasset program for indslusning af nøje udvalgte kompatible jordmikrober, og de identificerede flere kontrolpunkter, der tillader eller hindrer kolonisering af rodknolden med både symbiotiske og endofytiske bakterier.


Den videnskabelige artikel i det internationle tidsskrift Plos Genetics: A Legume Genetic Framework Controls Infection of Nodules by Symbiotic and Endophytic Bacteria

Rafal Zgadzaj,  Euan K. James,  Simon Kelly,  Yasuyuki Kawaharada, Nadieh de Jonge,  Dorthe B. Jensen,  Lene H. Madsen,  Simona Radutoiu

journals.plos.org/plosgenetics/article


Mere information

Lektor Simona Radutoiu
Institut for Molekylærbiologi og Genetik
Aarhus Universitet
radutoiu@mbg.au.dk - 87155498

Forskning