Nye afsløringer om bælgplanters tilknyttede mikrober

Planternes rod-tilknyttede mikrobiom – dvs. de populationer af mikroorganismer som findes i og omkring planten – har stor betydning for plantevæksten, og nye resultater inden for studiet af bælgplanter og deres kvælsstofsymbiose har nu påvist en hidtil ukendt rolle for kvælstoffikseringssymbiose, hvor den kvælstoffikserende plante er med til at definere, hvilke bakterier der findes i rod-mikrobiomet. Dette resultat vil landbruget på længere sigt kunne få stor gavn af.

21.11.2016 | Lisbeth Heilesen

Billederne viser japansk kællingetand (Lotus japonicus wild-type) (a) og mutantplanter uden symbiose: lhk1-1 (b), nfr5-3 (c), nin-2 (d) efter høst. Et nærbillede af rodknoldene er vist i a) og b). De hvide streger svarer til 1 cm. Fotos: Rafal Zgadzaj, Sektionen for Plantemolekylærbiologi, Institut for Molekylærbiologi og Genetik, AU.

Bælgplanter danner et unikt symbiotisk forhold med bakterier kaldet rhizobium, som de tillader at inficere deres rødder. Dette fører til dannelsen af rodknolde, hvor rhizobium-bakterierne omdanner kvælstof fra luften til ammoniak, som planterne bruger til at vokse. Denne såkaldte symbiotiske kvælstoffiksering tillader bælgfrugter at leve på steder med begrænset tilgængelighed af kvælstof.

Et internationalt forskerhold fra Danmark og Tyskland har nu fundet, at en fuldt fungerende kvælstoffikseringssymbiose er nødvendig, for at der kan etableres de naturlige, taksonomisk forskelligartede bakterielle mikrobiota i bælgplanten japansk kællingetand (Lotus japonicus).

Bælgplanter er kendt som pionerplanter ved opdyrkningen af fattige jorder, hvor de er med til at forstærke næringsstatus i dyrkede jorder. Denne gavnlige effekt er blevet forklaret med deres evne til at engagere sig i symbiotisk forhold med den kvælstoffikserende rhizobia-bakterie. Den gavnlige effekt af denne symbiose er ikke begrænset til bælgplanter men ses også i andre planter, når de bliver  dyrket sammen med eller lige efter bælgplanter. Denne synergi skyldes bælgplanters gavnlige effekt på jordens ernæringstilstand. Men de mekanismer, der ligger til grund for disse gavnlige effekter og deres indvirkning på de komplekse mikrobielle samfund, som findes i og omkring planterødder, er stort set ukendte. For at kunne udnytte rhizobium-bakterien effektivt i landbruget er en forståelse for disse specielle interaktioner vigtige.

Tabet af kvælstoffikserende symbiose påvirker plantevæksten

I forbindelse med studiet lavede forskerne en profilanalyse af de bakterier, som findes sammen med normale – symbiotisk aktive – Lotus japonicus planter dyrket i almindelig jord og sammenlignede med mikroberne fra symbiotiske mutanter, som har en defekt symbiose. De fandt, at tabet af kvælstoffikserende symbiose påvirker plantevæksten, og ændrer sammensætningen af de Lotus-tilknyttede mikrobiota dramatisk, hvor mindst 14 bakterielle arter er påvirket. Denne plantevækstfænotype og den ændrede mikrobiomstruktur blev bibeholdt ved tilførsel af kvælstof, der blokerede for dannelsen af funktionelle rodknolde i normalplanterne.

Dette fund betyder, at bælgplanternes symbiotiske gener ikke kun hjælper til med at udvælge kvælstoffikserende rhizobia-bakterier til et symbiotisk forhold i rodknolde, men at de også spiller en vigtig rolle i forbindelse med etableringen af mikrobiomet i roden og rhizosfæren omkring  L. japonicus.

Disse resultater sandsynliggør, at bælgplanters indflydelse på jordens ydeevne i landbrugsmæssige og økologiske sammenhænge i væsentlig grad er baseret på berigelsen af det gavnlige symbiose-forbundne bakterielle miljø i kombination med den velkendte rhizobielle kvælstoffiksering. På længere sigt vil de bakterier, som udgør det gavnlige mikrobiom alene eller sammen med rhizobia, kunne tages i brug som inokulum (podemateriale) for andre planter til at øge deres vækst med minimalt næringsstofforbrug.


Resultaterne, der er publiceret i det videnskabelige tidsskrift PNAS, er et samarbejde mellem en dansk forskningsgruppe ledet af Simona Radutoiu ved Aarhus Universitet og en tysk gruppe ledet af Paul Schulze-Lefert Max Planck Institut i Køln.


Mere information

Lektor Simona Radutoiu
Institut for Molekylærbiologi og Genetik
Aarhus Universitet
radutoiu@mbg.au.dk – 8715 5498

Forskning