Eisen ist für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen unverzichtbar. In vielen Böden bleibt dieser essenzielle Mikronährstoff für die Pflanzen jedoch unerreichbar. Der Grund dafür ist chemischer Natur: Ein großer Teil des Eisens liegt in schwer löslichen Verbindungen vor und kann von Pflanzenwurzeln nicht direkt aufgenommen werden. Pflanzen haben daher ausgeklügelte Strategien entwickelt, um Eisen aus dem Boden zu mobilisieren und für die Aufnahme verfügbar zu machen. Diese oft verborgenen Mechanismen sind entscheidend für eine ausreichende Eisenversorgung und damit für ein gesundes Pflanzenwachstum – und letztlich auch für die Produktivität von Nutzpflanzen, auf der unsere globalen Ernährungssysteme beruhen.
Alle gesunden Pflanzen in natürlichen Böden stehen in engem Kontakt mit einer vielfältigen Gemeinschaft von Mikroorganismen, der sogenannten Mikrobiota.
Um eine begrenzte Eisenverfügbarkeit zu bewältigen, aktivieren Pflanzen wie Arabidopsis thaliana und zahlreiche Kulturpflanzen eine ausgeklügelte Reaktion auf Eisenmangel. Im Rahmen dieser Mangelreaktion setzen die Wurzeln spezialisierte Moleküle, häufig Cumarine, in die Rhizosphäre frei – die Bodenzone direkt um die Pflanzenwurzeln, die von der Wurzelmikrobiota besiedelt wird. Es gibt verschiedene Varianten von Cumarinen. Arabidopsis passt die Freisetzung dieser verschiedenen Chemotypen an den pH-Wert des Bodens an. Sideretin ist das Cumarin, das von den Wurzeln in sauren Böden ausgeschieden wird, während in kalkhaltigen Böden mit neutralem oder leicht alkalischem pH mehr Fraxetin freigesetzt wird. Diese Moleküle können biologisch nicht verfügbares Eisen mobilisieren und gelten somit als Anpassung an den pH-Wert des Bodens, um die Eisenaufnahme zu fördern. Paradoxerweise leiden Pflanzen, die ohne ihre bakterielle Wurzelmikrobiota wachsen, jedoch weiterhin unter Eisenmangel.
Frühere Studien haben gezeigt, dass wurzelassoziierte Bakterien Pflanzen dabei helfen können, Eisenmangel zu überwinden. Dabei spielt Fraxetin in kalkhaltigen Böden bei nahezu neutralem pH-Wert eine Schlüsselrolle. Es blieb jedoch unklar, ob wurzelassoziierte Bakterien - zusammen mit den jeweiligen freigesetzten Cumarinen - die pH-angepasste Eisenaufnahme unterstützen und wie diese Cumarine mit den Bakterien interagieren.
Chemische Kommunikation mit kleinen Helfern schafft Mehrwert für die Eisenaufnahme
Mithilfe genetischer und chemischer Ansätze bei Pflanzen und Bakterien fand das Team heraus, dass Sideretin und Fraxetin mit einer Vielzahl von wurzelassoziierten Bakterien kommunizieren. Dabei helfen sie, Eisen im Boden zu mobilisieren, wodurch es für die Pflanze besser verfügbar wird. Wichtig dafür ist, dass die pH-angepasste Freisetzung dieser Cumarine zwar auch in Abwesenheit von Mikroben durch die Pflanze stattfindet, ihre volle Funktion bei der Eisenmobilisierung jedoch erst in Zusammenarbeit mit der Wurzelmikrobiota zum Tragen kommt. Weitere Analysen identifizierten zwei Mechanismen, über die die Bakterien mit diesen pH-spezifischen Cumarinen interagieren, um Eisen zu mobilisieren.
Bei einem sauren pH-Wert wird dreiwertiges Eisen (Fe(III)), das im Boden als dominante, biologisch nicht verfügbare Form vorliegt, durch einen als reduktive Auflösung bezeichneten Prozess in die löslichere zweiwertige Form (Fe(II)) reduziert. Dabei bleibt eine inaktive, oxidierte Form von Sideretin zurück. Bakterien interagieren mit Sideretin über einen bakteriellen Redox-Sensor-Mechanismus. Es wird angenommen, dass verbrauchtes Sideretin über diesen Mechanismus von den Bakterien zur Wiederverwertung aufgenommen und anschließend die aktive Form in die Rhizosphäre freigesetzt wird, um weiteres Fe(III) zu reduzieren. Dieser Prozess wird als bakterieller „Redox-Shuttle“ bezeichnet. Im Gegensatz dazu erfolgt bei nahezu neutralem oder leicht alkalischem pH-Wert die interaktive Mobilisierung von Fe(III) durch eine Wechselwirkung zwischen dem Cumarin Fraxetin und einem bakteriellen Siderophor. Siderophore sind Moleküle, die von den Bakterien zur eigenen Eisenversorgung produziert und freigesetzt werden, sobald ein Eisenmangel festgestellt wird. Fraxetin leitet offenbar einen Teil des durch Siderophore mobilisierten Eisens zur Eisenversorgung für die Pflanzen um.
Diese beiden bakteriellen Mechanismen sind in der Wurzelmikrobiota weit verbreitet. Dies deutet darauf hin, dass sich diese bakteriellen Prozesse wahrscheinlich lange vor dem Auftreten der Landpflanzen auf unserem Planeten entwickelt haben. Es ist bekannt, dass sie eine wichtige Rolle dabei spielen, wie sich Bakterien an veränderte Umweltbedingungen im Boden anpassen. Daher nutzen Pflanzen uralte mikrobielle Eigenschaften, indem sie Cumarine ausscheiden, um Eisen zu mobilisieren und ihren Eisenmangel zu überwinden.
Die meisten der geprüften wurzelassoziierten Bakterien waren in der Lage, Pflanzen unter verschiedenen pH-Bedingungen im Labor vor einem Eisenmangel zu schützen. Dieser Effekt war unabhängig davon, ob die Bakterien ursprünglich von Pflanzen isoliert wurden, die in eisenreichen oder eisenarmen Böden gewachsen waren. Dies deutet darauf hin, dass die Fähigkeit von Bakterien, Eisen bei unterschiedlichen pH-Werten zu mobilisieren, weit verbreitet ist. Somit können die beiden oben genannten bakteriellen Mechanismen von der Pflanze bei Bedarf flexibel aktiviert werden, indem sie als Reaktion auf den Boden-pH-Wert verschiedene Cumarine freisetzt. Insgesamt deutet dies darauf hin, dass die pH-abhängige Freisetzung verschiedener Cumarin-Chemotypen ein adaptives Merkmal ist, das es Pflanzen ermöglicht, in einer mikrobiellen Umgebung mit schwankendem Boden-pH-Wert Eisen aufzunehmen.
Pflanzen nutzen auch kleine Helfer zur Phosphataufnahme
In einer aktuellen Studie eines internationalen Teams, unter der Leitung von Paul Schulze-Lefert vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln, in Zusammenarbeit mit Ricardo F. H. Giehl vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung in Gatersleben, wurde gezeigt, dass Arabidopsis-Pflanzen auch mit wurzelassoziierten Bakterien zusammenarbeiten, um den Makronährstoff Phosphor aus dem Boden zu mobilisieren. Wie beim Eisen liegt der größte Teil des Phosphors im Boden in Verbindungen vor, die für Pflanzen nicht verfügbar sind. Bei Phosphormangel setzen Arabidopsis Wurzeln das Molekül Malat frei. Anstatt direkt nennenswerte Mengen an Phosphor zu extrahieren, fungiert Malat als „Hilferuf“, der phosphorlösende Bakterien an die Wurzeloberfläche lockt.
Dort angekommen, nehmen die Bakterien eine neue Lebensweise an. Sie verwerten die von der Wirtspflanze bereitgestellten Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen und aktivieren Mechanismen, die Phosphor aus ansonsten unzugänglichen anorganischen und organischen Quellen freisetzen. Der freigesetzte Phosphor unterstützt dann das Wachstum sowohl der Bakterien als auch der Pflanze.
Anwendungen für eine nachhaltige Landwirtschaft
Obwohl es unterschiedliche Mechanismen sind, die zur Überwindung von Eisen- oder Phosphorengpässen führen, setzt die Pflanze bei Bedarf spezifische Moleküle frei, die die umgebenden Mikroorganismen dazu veranlassen, das Pflanzenwachstum zu unterstützen. Dieses grundlegende Wissen ist wichtig für die zukünftige Entwicklung gezielter Bio-Düngemittel-Mikroorganismen oder biomimetischer Moleküle, die den Einsatz synthetischer Düngemittel in landwirtschaftlichen Produktionssystemen reduzieren können.
„Pflanzen haben noch nie ohne Mikroben existiert und viele ihrer Eigenschaften spiegeln wahrscheinlich diese gemeinsame Geschichte wider. Die Untersuchung der molekularen Grundlagen vorteilhafter Wechselwirkungen mit ihrer Mikrobiota wird neue Möglichkeiten für eine nachhaltige Landwirtschaft eröffnen.“, sagt Milena Malisic.
Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung
Originalpublikation:
Malisic M, Copeland C, Amrhein A et al.: Arabidopsis uses distinct coumarins and bacterial pathways for pH-adaptive iron acquisition, Cell, 2026, DOI: 10.1016/j.cell.2026.09.030
