Planter går efter funktion frem for bakterieart, når de opbygger deres rodmikrobiom

En skjult verden under vores fødder

Planters rødder er omgivet af enorme samfund af mikroorganismer, som hjælper planterne med at optage næringsstoffer, modstå sygdomme og håndtere miljømæssigt stress. På trods af deres store betydning har forskere længe haft svært ved at forstå, hvorfor nogle bakterier bliver succesfulde medlemmer af planternes rodmikrobiom, mens andre ikke gør.

Et internationalt forskerhold ledet af forskere fra Aarhus Universitet og Utrecht University har nu afdækket nye principper, som kan være med til at forklare dette. Ved at analysere næsten 1.000 bakteriegenomer og rekonstruere rodmikrobiomer i laboratoriet i hidtil uset skala opdagede forskerne, at planter konsekvent skaber et miljø, der favoriserer bakterier med bestemte funktionelle egenskaber – uafhængigt af hvilken bakterieart der er tale om.

Samarbejdsprojektet samlede komplementære kompetencer inden for plantebiologi, mikrobiomforskning, genomik og computerbaserede analyser. Det gjorde det muligt for forskerne at undersøge spørgsmål, som ville have været vanskelige for de enkelte forskergrupper at besvare alene.

”Denne forskning var i høj grad et fælles projekt,” siger Simona Radutoiu, professor ved Aarhus Universitet, som ledede forskningen sammen med Ronnie de Jonge fra Utrecht University. ”Siden projektets begyndelse i 2019 har vi arbejdet tæt sammen med Ronnies gruppe.”

Mere end blot bakteriernes identitet

Forskerne undersøgte rodmikrobiomet hos tre meget forskellige planter: byg, Lotus og Arabidopsis. Planterne blev valgt, fordi de er kendt for at indgå i forskellige former for gavnlige partnerskaber.

Byg danner symbiose med arbuskulære mykorrhizasvampe, som hjælper planten med at optage næringsstoffer fra jorden, især fosfor. Lotus, som er en modelplante for bælgplanter, kan både indgå i partnerskab med disse svampe og med kvælstoffikserende bakterier. Arabidopsis har derimod ingen af disse former for intracellulær symbiose og udgør derfor en ideel sammenligningsart.

Forskerne tilførte hver plante en række mikrobielle samfund med forskellig funktionel sammensætning og kompleksitet for at undersøge, hvilke bakterier der blev selekteret til planternes rodmikrobiomer. De fandt, at bakteriesamfundene knyttet til de enkelte planter var taksonomisk forskellige, men alligevel delte et overraskende ens sæt biologiske funktioner.

”Vi fandt, at forskellige planter skaber miljøer, som selekterer for forskellige bakteriearter, men at de alligevel ender med mikrobiomer, der udfører mange af de samme opgaver,” forklarer Simona. ”Det viser, at planteroden udgør et selektivt miljø for funktioner frem for bestemte bakterielle identiteter.”

Blandt de vigtigste funktioner var evnen til at udnytte næringsstoffer fra planten, optage essentielle forbindelser og interagere med både planter og andre mikroorganismer.

Et grundlæggende værktøjssæt til livet i planterødder

Et af studiets mest markante fund var, at forskellige plantearter tilsyneladende skaber miljøer, som favoriserer forskellige typer bakterier.

Arabidopsis og byg var relativt åbne og tillod en bredere vifte af bakterielle partnere at kolonisere deres rødder. Lotus-rødderne var derimod langt mere selektive. Færre bakteriestammer blev fremmet, men de bakterier, der formåede at etablere sig, havde til gengæld en bredere vifte af nyttige funktioner og fungerede dermed som en slags mikrobielle ”schweizerknive”.

På trods af den hidtil usete diversitet blandt de undersøgte planter og mikroorganismer identificerede forskerne kun 266 bakterielle funktioner, som konsekvent var beriget i alle de undersøgte rodmikrobiomer. Disse funktioner udgjorde omkring tre procent af den samlede funktionelle diversitet, der blev registreret, men så ud til at udgøre et grundlæggende værktøjssæt for succesfuld kolonisering af planterødder.

Det er vigtigt, at ingen enkelt bakterie rummede alle disse funktioner. I stedet var de essentielle egenskaber fordelt mellem medlemmerne af bakteriesamfundet, hvilket understreger den samarbejdende karakter af rodmikrobiomer.

Mikrobiombaserede løsninger

Forskerne mener, at resultaterne kan understøtte fremtidige bestræbelser på at udvikle mikrobiombaserede løsninger til landbruget og identificere plantegener, der bidrager til at fremme mikroorganismer med gavnlige funktioner i grænsefladen mellem rod og jord.

”Vores opdagelser giver os en ny ramme for at designe mikrobielle samfund, der gavner planter, og for at identificere plantegener, som fremmer deres berigelse,” siger Simona.

I takt med at landbruget står over for et stigende pres fra klimaforandringer og et øget behov for at reducere brugen af kemiske hjælpemidler, kan en bedre forståelse af, hvordan planter naturligt skaber miljøer, der favoriserer gavnlige mikroorganismer, blive et vigtigt redskab til at udvikle mere robuste dyrkningssystemer.