Untersuchung rhizobieller Konkurrenzfaktoren

Verfasst von Dr. Jürgen Prell

Untersuchung rhizobieller Konkurrenzfaktoren

Rhizobien sind Bodenbakterien, die zu einer Stickstoff fixierenden Symbiose mit Schmetterlingsblütlern (Leguminosen) befähigt sind. Der größte Teil des biologischen Stickstoffeintrags in die Biosphäre der Erde passiert diesen Fixierungsweg. Des Weiteren gehören Leguminosen in weiten Teilen der Welt zu den wichtigsten Agrarpflanzen, da sie sehr proteinreiche Samen produzieren und unabhängig von Stickstoffdüngung auskommen. Die Selektion von rhizobiellen Elitestämmen, die maximale Stickstofffixierungsleistungen aufweisen ist relativ einfach, ihr effektiver Einsatz im Feld jedoch unsicher. Der Wettbewerb solcher rhizobieller Elitestämme mit den indigenen Feldpopulationen um die Nodulation der Leguminosen Wirtspflanze stellt ein Hauptproblem der Applikation von effizienten Feldinokulaten in der Landwirtschaft dar. Dieses Phänomen wird als „Rhizobium Wettbewerbs Problem“ bezeichnet. Genetische Marker, die Wettbewerbsvorteile bei der Nodulation verschaffen sind rar und wenig charakterisiert. In unserer Arbeitsgruppe werden bereits isolierte Kokurrenzdeterminaten in Modellsystemen beschrieben und verglichen. Erhöhte nod-Gen Expression von Rhizobien oder die Expression von Genen, die mit dem pflanzlichen Ethylene Signaltransduktionsweg interagieren, erhöhen die Nodulationskompetenz. Ihre Effektivität untereinander und in Konkurrenz mit Feldpopulationen wird derzeit untersucht.

Das Auffinden neuer Konkurrenzdeterminanten ist ein weiteres Ziel der Arbeitsgruppe. Traditionelle Mutagenese Techniken haben in systematischen Screens bisher kaum zur Identifikation von genetischen Determinanten rhizobieller Konkurrenzfähigkeit beigetragen und beschränken sich auf Laborstämme. Diese wurden allerdings auf Grund ihrer Stickstoff fixierenden Kapazität ausgewählt und nicht wegen ihrer Konkurrenzeigenschaften. Ein neuer experimenteller Ansatz ist die Erzeugung von Konkurrenzsituationen innerhalb von natürlichen Feldpopulationen von Rhizobien entlang von Umweltgradienten und die anschließende genetische Analyse von Stämmen, die unter definierten Bedingungen Gewinner der Konkurrenz sind. Solche Stämme mit erhöhten Konkurrenzeigenschaften tragen die genetische Information dazu in ihrem Genom. Mit Hilfe von Sequenziertechniken der 2ten Generation ist es heute möglich die Genome von Feldisolaten direkt zu analysieren (z.B. Bailly et al. 2011). Vergleichende genetische Studien mit nicht wettbewerbsfähigen Stämmen aus dem gleichen Selektionsexperiment werden zur Identifizierung des akzessorischen Genoms führen. Das akzessorische Genom trägt mit größter Wahrscheinlichkeit die verantwortlichen Gen-Loci für den Nodulationsvorteil. Traditionelle Kosmid Komplementationsstudien sollen den Genomsequenzierungs-ansatz inhaltlich unterstützen. Wir beabsichtigt durch ein solches Projekt die Etablierung einer Arbeits-Pipeline zur systematischen Untersuchung von genetischen Loci die einen erhöhten Wettbewerbsvorteil um die Wirtsnodulation zeigen. Dies stellt Grundlagenforschung im Bereich der effektiven Nutzung von Rhizobieninokulaten für die Landwirtschaft dar und ist von besonderer Bedeutung in Zeiten weltweit steigender Kosten für die Stickstoffdüngerproduktion und durch Eutrophierung.

Bailly X, Giuntini E, Sexton MC, Lower RPJ, Harrison PW, Kumar N and Young JPW (2011) Population genomics of Sinorhizobium medicae based on low-coverage sequencing of sympatric isolates. ISME Journal 5:1722–1734