The Role of Secondary Metabolites in Plant-Associated Microbial Communities

Abstract

Die positiven Eigenschaften des Pflanzenmikrobioms auf ihren Wirt machen es zu einer vielversprechenden Plattform für eine nachhaltige Landwirtschaft. Bis 2050 wird der weltweite Nahrungsmittelbedarf voraussichtlich um 70 % steigen, während der Klimawandel die landwirtschaftliche Produktion erheblich beeinträchtigt. Um ein gesundes Pflanzenmikrobiom zu fördern, Probiotika zu entwickeln und Mikroorganismen sowie chemische Stoffe für Pflanzentherapien zu identifizieren, ist ein umfassendes Verständnis der grundlegenden Dynamiken in Mikrobiomen notwendig. Synthetische Gemeinschaften (SynComs) bieten ein vereinfachtes und stabiles Modellsystem zur Untersuchung dieser Dynamiken. In der vorliegenden Arbeit wurde eine SynCom aus der Phyllosphäre von Arabidopsis thaliana verwendet, um mikrobielle Interaktionen zu identifizieren und den Einfluss von Sekundär- Metaboliten auf solche Interaktionen zu untersuchen. Ziel der Forschung war es, zentrale Organismen und Schlüsselmetabolite zu identifizieren, die an diesen Interaktionen beteiligt sind. Durch den Vergleich von co-abundance-Netzwerken natürlicher A. thaliana-Mikrobiom mit in vitro-Interaktionen der SynCom-Mitglieder zeigte sich, dass natürliche Netzwerke mehr positive Korrelationen aufweisen als in vitro-Paarinteraktionen. Pseudobactin, produziert von Pseudomonas koreensis, wurde in vitro als antimikrobielles Siderophore identifiziert, zeigte in planta jedoch keinen Einfluss auf die Zusammensetzung der SynCom. Ebenso wurde Bacillus altitudinis als Inhibitor zahlreicher SynCom-Stämme identifiziert, war jedoch nur in geringer Menge in der Gemeinschaft vertreten. Diese Ergebnisse legen nahe, dass antimikrobielle Substanzen dem Produzenten keinen signifikanten Vorteil bei der Kolonisierung in der SynCom bieten und in der Gemeinschaftsdynamik eine untergeordnete Rolle spielen. Ein non-targeted metabolomics-Ansatz wurde verwendet, um weitere chemische Stoffe zu identifizieren, die das Potenzial haben, die Zusammensetzung der SynCom zu beeinflussen. Dabei wurde vermutet, dass Metabolite, die in höheren Konzentrationen in SynCom-Co-Kulturen vorkamen als in Kulturen einzelner Stämme, eine wichtige Rolle für die Gemeinschaft spielen könnten. Das Vitamin Biotin und das Cytokinin Trans-Zeatin wurden in signifikant höheren Konzentrationen in der Gemeinschaft gefunden. Biotin förderte das Wachstum von Bacillus altitudinis, was darauf hinweist, dass Cross-Feeding eine wesentliche Rolle in der SynCom könnte. Diese Erkenntnisse tragen zum Verständnis der Mechanismen bei, die synthetische Gemeinschaften formen und stabilisieren, und heben mögliche Strategien für nachhaltige Pflanzenbehandlungen hervor.