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Knöllchenbakterien
[Bearbeiten]Luftstickstoff (N2) assimilierende, knöllchenartige Seitenwurzeln bildende Bakterien kommen an den Wurzeln von zehn Familien der Blütenpflanzen vor, die alle zur Ordnung Rosidae (Rosengewächse i. w. S.) gehören. Sie haben einen großen Einfluss auf die Stickstoffversorgung der Pflanzen, darunter vieler Nutzpflanzen wie Schmetterlingsblütler (Leguminosen) oder Erle. Man unterscheidet die Actinorhiza Symbiose von der Leguminosen-Rhizobium Symbiose (Pawlowski & Sprent 2008). Die Actinorhiza Symbiose wird von Frankia (Gram-positive Actinobakterien) vornehmlich mit Bäumen oder Sträuchern gebildet, wobei knöllchenförmige Seitenwurzeln im Pericykel der Trägerwurzel angelegt werden. Fertige actinorhize Wurzeln sind coralloid aus vielen Knöllchen zusammengesetzt, die jeweils aus veränderten Seitenwurzeln bestehen und in einer erweiterten Rindenschicht die Bakterien enthalten.
In der Leguminosen-Rhizobium Symbiose bilden Gram-negative Rhizobium-Verwandte die Symbionten und regen in der Wurzelrinde die Bildung von Spross ähnlichen Auswüchsen an, mit peripherem Leitgewebe und Besiedelung der zentralen Schichten. Es entstehen so auffallende, unterschiedlich geformte Knöllchen. Die Besiedelung kann aber auf einzelne Zellen beschränkt bleiben und ist dann äußerlich nicht zu erkennen (Newcomb 1981; Bryan et al. 1996). Die Vorgänge während der Besiedelung und die physiologischen Abläufe der Symbiose sind gut untersucht, aber nicht Gegenstand dieser Einführung (siehe z. B. Pawlowski & Sprent 2008).
Pflanzen mit Knöllchenbakterien bilden stets auch Mykorrhizen. Die drei Partner fördern einander gegenseitig (Rose & Youngberg 1981). Eine bessere Stickstoffversorgung der Pflanzen steigert die Photosynthese und damit die Kohlenhydrat-Versorgung der Pilze und Bakterien. Eine bessere Phosphat-Versorgung liefert den Bakterien die notwendige Energie in Form von ATP, um die Assimilation des Luftstickstoffs durchzuführen. Gut mykorrhizierte Pflanzen bilden mehr und größere Knöllchen; diese haben eine höhere Nitrogenaseaktivität und fixieren mehr N2 als die Knöllchen nicht mykorrhizierter Kontrollpflanzen. Bei P-Mangel werden Knöllchen nur in AM-Pflanzen ausgebildet. Es wurde gezeigt, dass der von Frankia assimilierte Luftstickstoff an die Mykorrhizen der Erle und von da über ein gemeinsames Myzel an mykorrhizierte Kiefernsämlinge gelangen kann (Arnebrant et al. 1993), ein schönes Beispiel für die komplexen Kooperationen im Boden.
Da alle Pflanzen mit Knöllchenbakterien zur Großgruppe Rosidae gehören, geht man von einem einmaligen Erwerb der genetischen Disposition zu dieser Symbiose aus (Doyle 2011; Werner et al. 2014). Die bereits vorhandene genetische Disposition zur Symbiose mit Glomeromycota wurde dabei genutzt (Markmann & Parniske 2009; Oldroyd 2013). Das SymRK Gen ist z. B. sowohl für die Knöllchenbildung mit den Bakterien wie bei der Mykorrhizaentwicklung wirksam (Gherbi et al. 2008). Das Signal der Rhizobien wird Nod-Faktor genannt, das Signal der Pilze Myc-Faktor. In beiden Fällen handelt es sich um Lipochitooligosaccharide, die sich nur wenig unterscheiden (Maillet et mult. 2011). Das Signal von Frankia ist noch nicht bekannt. Das Signal der Bakterien wird nur von Pflanzen in der Gruppe der Eurosidae über einen Rezeptor (LysM-Typ) erkannt (Op den Camp et al. 2011).
Innerhalb der Rosidae findet man die N2-fixierenden Symbionten in den vier Ordnungen Fabales, Cucurbitales, Fagales und Rosales (Pawlowski & Sprent 2008). Die Fabaceae (Schmetterlingsblütler und einige Caesalpiniaceae und Mimosaceae) sind mit Rhizobien assoziiert. Frankia bildet Knöllchen mit der Erle (Alnus, Betulaceae), der australischen Casuarina und Allocasuarina (Casuarinaceae), Myrica und Comptonia (Myricaceae), dem Sanddorn (Hippophae), Eleagnus und Shepherdia (Eleagnaceae), Ceanothus (Rhamnaceae), der Silberwurz (Dryas), Purshia, Cowania und Cerocarpus (Rosaceae), Datisca (Datiscaceae) und Coriaria (Coriariaceae).
An Erle, einigen Caesalpiniaceae, Casuarina/Allocasuarina und Dryas tritt Frankia mit Ektomykorrhizen im Verbund auf, sonst sind die Bakterien mit arbuskulärer Mykorrhiza gekoppelt. Bemerkenswert ist aber, dass Alnus, Dryas und Casuarina auch arbuskuläre Mykorrhizen bilden können, also überall die gleiche genetische Grunddisposition vorzuliegen scheint. Diese genetische Disposition wurde aber offensichtlich nicht in allen Rosidae umgesetzt, sondern ging teilweise verloren oder blieb verborgen (cryptisch), unwirksam erhalten (Pawlowski & Demchenko 2012).
Bakterien in den Hyphen der Glomeromycota und Endogonales
[Bearbeiten]Bei elektronen-mikroskopischen Untersuchungen wurden Bakterien in den Hyphen und Sporen von Glomeromycota beobachtet und zunächst als „bacterium-like organelles“ (BLOs) beschrieben (MacDonald et al. 1982). Inzwischen wurden zwei unterschiedliche Gruppen von Bakterien als weit verbreitet nachgewiesen. Zum Einen handelt es sich um rundliche (coccoide), Gram-positive Endobakterien aus der Verwandtschaft um Mollicutes, zum Anderen um stäbchen-förmige, Gram-negative, β-Proteobakterien, aus der Verwandtschaft von Burkholderia (Pseudomonaden; Bianciotto et al. 2003).
Die Gram-positiven, coccoiden Endobakterien aus der Verwandtschaft um Mollicutes werden auch als MRE Bakterien (Mollicutes related endobacteria) bezeichnet. Sie sind eine eigene, monophyletische Bakteriengruppe innerhalb der Mollicutes Bakterien. Die Bakterien sind in den Hyphen von einer auffallenden, Gram-positiven Wand umgeben und leben im Cytosol der Pilze. Eine pilzliche Zellmembran um die Bakterien fehlt, was eine ungewöhnliche Erscheinung bei intrazellulären Bakterien darstellt. Mollicutes selbst sind zellwandfreie Bakterien und bilden eine Schwestergruppe zu Mycoplasmen und Entomoplasmen, die parasitisch oder symbiotisch leben. MRE wurden in Ambisporaceae, Geosiphonaceae, Glomus Gruppe A und B, Diversisporaceae, Gigasporaceae und Acaulosporaceae weltweit nachgewiesen (Naumann et al. 2010). Sie fehlen aber dem Modellpilz der Mykorrhizaforschung Glomus intraradices = Rhizophagus irregularis DAOM197198.
Die Divergenz der 16S rDNA zwischen einzelnen Isolaten der Bakterien, von denen verschiedene in einer Spore der Glomeromycota vorkommen können, ist bemerkenswert hoch (bis 20%). Die Bakterien wurden bisher nicht überzeugend als frei lebend nachgewiesen und sind demnach obligate Symbionten, die vertikal über die vegetativen Sporen weitergegeben werden (Bianciotto et al. 2004). Darauf deutet auch das reduzierte Genom mit Hinweisen auf metabolische Abhängigkeit vom Wirt sowie nachgewiesener, horizontaler Gentransfer vom Pilz in das Bakterium (Naito et al. 2015; Torres-Cortés et al. 2015). Ein den Pilz fördernder Beitrag der MRE ist bisher nicht bekannt.
Die stäbchenförmigen, Gram-negativen, β-Proteobakterien aus der Verwandtschaft von Burkholderia (Pseudomonaden) wurden Candidatus Glomeribacter gigasporarum benannt. Diees Bakterien wurden nur in Sporen und Myzel von Gigaspora margarita, Gigaspora decipiens, Scutellospora persica und Scutellospora castanea gefunden (Bianciotto et al. 2003). In den Sporen von Gigaspora margarita kommen demnach beide Bakteriengruppen nebeneinander vor (Desirò et mult. 2014). Candidatus Glomeribacter gigasporarum wird in den Hyphen von einer Pilzmembran umschlossen. Diese Endobakterien konnten isoliert werden, lassen sich aber auf künstlichen Nährmedien nicht vermehren. Neben Gigasporaceae Isolaten mit von Bakterien besiedelten Sporen finden sich auch zahlreiche Isolate ohne Bakterien in den Sporen (Mondo et al. 2012). Das ist bemerkenswert, weil die Bakterien die Sporenkeimung und das präsymbiotische Myzelwachstum stimulieren, wobei sie den Lipid-Metabolismus beeinflussen (Salvioli et al. 2010). Myzelien, die ohne Endobakterien kultiviert werden, zeigen Veränderungen in der Struktur der Sporen und verlangsamtes Hyphenwachstums, behalten aber die Fähigkeit zur Mykorrhizabildung bei (Lumini et al. 2007).
Die Sequenzierung des Genoms von Candidatus Glomeribacter gigasporarum deutet an, dass sowohl Kohlenhydrate als auch Phosphat und Stickstoffverbindungen aus dem Pilz bezogen werden, dafür Vitamin B12 und Antibiotika synthetisiert und eventuell auch vom Pilz genutzt werden (Ghignone et al. 2012). Die Bakterien stimulieren Atmung, Energiehaushalt und Wachstum der Hyphen (Vannini et mult. 2016). Der Nachweis eines nif-Gens, welches auf N2- Assimilation der Bakterien hinweisen würde, konnte bisher an den isolierten Bakterien nicht bestätigt werden (Minerdi et al. 2001; Jargeat et al. 2004).
Sporen von Scutellospora sind bereits aus dem Unterdevon bekannt (Dotzler et al. 2006). Modellrechnungen auf molekular-phylogenetischer Grundlage zeigen nun, dass diese Bakterien bereits mit diesen Pilzen vor ca. 400 Millionen Jahren assoziiert waren und sich mit ihnen gemeinsam weiter entwickelt haben (Co-Speziation), wobei durchaus ein Wirtswechsel innerhalb der Gigasporaceae erfolgen konnte (Mondo et al. 2012).
Burholderia Endosymbionten kommen auch in den Hyphen der Mucoromycotina vor. In Rhizopus microsporus, einem saprophytischen Pilz, wurden symbiotische Bukholderia Endobakterien nachgewiesen, die eine signifikante, genetisch bedingte Veränderung im Lipid-Stoffwechsel bewirken (Lastovetsky et mult. 2016). Isolate von Rhizopus microsporus, die keine Bakterien enthalten werden hingegen von Burkholderia gehemmt. MRE Bakterien wurden auch in den Fruchtkörpern von Endogonales gefunden (Desirò et al. 2015).
Bakterien und Einzeller in der Mykorrhizosphäre
[Bearbeiten]Die Kontaktzone zwischen Mykorrhizen und Boden bezeichnet man als "Mykorrhizosphäre" entsprechend der "Rhizospäre" von Wurzeln. Im engeren Sinn versteht man darunter die Bodenteilchen, die man von einer Mykorrhiza abschütteln kann und unterscheidet davon noch die "Mykorrhizoplane" (entsprechend der Rhizoplane), als die Oberfläche der Mykorrhiza bzw. Wurzel. Häufig wird aber nicht so genau unterschieden. Das Zusammenleben von Mykorrhizen mit Bakterien auf der Mykorrhizoplane und in der Mykorrhizosphäre ist nicht genetisch verankert, aber dennoch effektiv. Insbesondere Pseudomanaden aber auch andere im natürlichen Boden vorhandene Bakterien beeinflussen die Mykorrhizaentwicklung positiv, wie zahlreiche Untersuchungen gezeigt haben (Bonfante & Anca 2009). Sie werden daher auch Helferbakterien genannt (MHB, mycorrhizal helper bacteria, Duponnois & Garbaye 1991; Frey-Klett et al. 2007).
Mykorrhizen ihrerseits stimulieren Bakterien, die Phosphat aus Verbindungen lösen können, Stickstoff assimilieren und die Abwehr gegen pathogene Bodenpilze steigern (Barea et al. 2005; Frey-Klett et al. 2005). Die Stimulation erfolgt mittels Exsudaten und durch absterbende Hyphen und Wurzelzellen, die als Kohlenstoffquelle dienen können. Der Pilzzucker Trehalose wird von Pseudomanden bevorzugt aufgenommen. N2-fixierende Bakterien sind in der Mykorrhizosphäre in deutlich größeren Mengen vorhanden als in der Rhizosphäre von nicht mykorrhizierten Wurzeln. Phosphat lösende Bakterien stimulieren die N2-fixierenden Bakterien.
Neben einer allgemeinen Wachstumssteigerung durch verbesserte Ernährung, ist die Wirkung der Mykorhizosphären-Bakterien auch eine wichtige Ursache einer verbesserten Pathogenabwehr durch antibiotische Substanzen. Pseudomonaden sind hier besonders wirksam. Pseudomonas putida Stamm WCS3588 unterdrückt Fusarium oxysporum über Siderophore, die Eisen binden. Der dadurch hervorgerufene Fe-Mangel hemmt die Sporenkeimung von Fusarium, einem pathogenen Bodenpilz. Ein wichtiger Faktor ist auch Salicylsäure (o-Hydroxibenzoesäure), die von Bakterien in der Rhizosphäre gebildet wird, selbst Siderophor und Vorstufe für andere Siderophore ist. Eine gute Mykorrhizierung schon vor dem Auftreten der Pathogene ist aber Voraussetzung einer verbesserten Resistenz.
Die Bakterienpopulationen werden ihrerseits durch Einzeller (Protozoa) kontrolliert, die sich von bestimmten Bakterien ernähren. Amoeben (z. B. Acanthamoeba castellani) setzen dabei Ammonium frei, das von Mykorrhizapilzen aufgenommen wird (Henkes et al. 2018).
Bakterien der Rhizosphäre haben auch Einfluss auf den Sekundärstoffwechsel der Pflanzen und regen die Bildung von Inhaltsstoffen mit antibiotischer Wirkung an (Battini et al. 2016).
Als einen Vorläufer der genetisch fixierten Endosymbiose mit den N2-fixierenden Bakterien bei Blütenpflanzen kann man das Zusammenleben mit Cyanobakterien (Blaualgen) bei Hornmoosen und vielen epiphytischen Lebermoosen in den Tropen ansehen. Die Cyanobakterien leben bei Anthoceros und Phaeoceros in Taschen an der Unterseite der Thalli, bei Lebermoosen an den Rhizoiden und der Unterseite der Thalli.
Saprobe und pathogene Pilze in der Mykorrhizosphäre und Mykorrhizoplane
[Bearbeiten]Die nahe Umgebung (Mykorrhizosphäre) und die Oberfläche (Mykorrhizoplane) von Ektomykorrhizen werden von zahlreichen saproben Pilzen besiedelt. Das zeigen umfangreiche Versuche zur Isolierung dieser Pilze und die direkte Amplifizierung und molekulare Identifizierung (Qian et al. 1998a; Kernaghan & Patriquin 2015). Diese Pilze werden als "Mikropilze" bezeichnet, wenn sie nur aus Kulturen bekannt sind, in denen sie vegetative Sporen bilden (Domsch et al. 1980).
Die beiden Kleinhabitate unterscheiden sich bezüglich Artenzahl und Zusammensetzung. Bei umfangreichen Probenahmen in Fichtenbeständen des Höglwalds (Bayern) wurden aus der Mykorrhizosphäre 72, von der Mykorrhizoplane hingegen 153 Arten isoliert (Grundlage: 6800 Isolate). Das Bodenmilieu, die Mykorrhizapilze und die Baumart beeinflussen die Artenzusammensetzung und -häufigkeit erheblich (Abbildung 8.4.1). In der humosen Auflage ist die Artenvielfalt deutlich höher als im Mineralboden und die Unterschiede zwischen Bodentypen treten deutlicher hervor. Auf den erwähnten Waldflächen wurden von Mykorrhizen aus der Humusauflage 50 bis 75 Arten isoliert, aus dem Mineralboden nur 30 bis 45. Kalkung und Versauerung verändern die Artenzusammensetzung, aber Kalkung künstlich versauerter Standorte führt nicht zum ursprünglichen Artenspektrum zurück (Abbildung 8.4.1)
Unter den häufig isolierten Arten sind auch potentiell pathogene Pilze, wie Trichoderma viride, Trichoderma hamatum, Sesquicillium candelabrum und Cylindrocarpon destructans. Einige dieser Arten wurden auf physiologische Fähigkeiten und Interaktionen mit anderen saproben Arten bzw. mit Mykorrhizapilzen untersucht (Dennis & Webster 1971; Weber 1990). Dabei erwiesen sich zahlreiche Arten als Antagonisten zu anderen, auch zu potentiell pathogenen Arten. Abbildung 8.4.1 gibt Anhaltspunkte für Antagonismen am natürlichen Standort. Auf der sauer beregneten Fläche könnten M. radicis atrovirens und O. majus die pathogenen Pilze C. destructans und Trichoderma Arten hemmen (Qian et al. 1998b). O. majus ist Antagonist zahlreicher Arten. Trichoderma viride wird andererseits als Antagonist zur Verhinderung der Rotfäule an Fichten (Befall durch Heterobasidium annosum) eingesetzt. Auf Grund der antibiotischen Fähigkeiten der Mikropilze entsteht ein Gleichgewicht im Boden und die Gefahr von starken Schäden durch Wurzelpathogene ist im natürlichen Bestand gering.
Die Hyphenmäntel einiger Pilzarten werden selten, andere häufiger von Mikropilzen besiedelt (Abbildung 8.4.2). Es besteht wahrscheinlich ein Zusammenhang mit der sehr unterschiedlichen Vitalität der Hyphenmäntel, wie fluoreszenz-mikroskopische Untersuchen zeigten (Qian et al. 1998c). Vitale Hyphenmäntel, wie Tuber puberulum oder Piceirhiza nigra (Abbildung 7.2.26) werden seltener, teilweise abgestorbene signifikant häufiger besiedelt. Die aktiven Hyphen der Mykorrhizapilze hemmen Mikropilze und Bakterien. Alternde und abgestorbene Ektomykorrhizen werden aber von saproben Pilzen und Bakterien abgebaut. Dabei werden Mineralien frei, die auch von Mykorrhizapilzen aufgenommen werden können. Insgesamt sind die Interaktionen noch unzureichend geklärt und die Ergebnisse, die auch von den verwendeten Methoden abhängen, noch widersprüchlich.
Auf Pflanzen lebende Insekten
[Bearbeiten]Bemerkenswerter Weise kann die Mykorrhiza einen fördernden Einfluss auf Insekten haben, die an Blättern nagen oder saugen (Koricheva et al. 2009). Befall und Fraß nehmen zu, ohne allerdings die Pflanze stärker zu schädigen. Letzteres wird darauf zurück geführt, dass mykorrhizierte Pflanzen meist besser wachsen und dass Blätter fressende Insekten auf mykorrhizierten Pflanzen eine kürzere Überlebenszeit haben. Besonders profitieren solche Insekten, die auf eine oder nah verwandte Pflanzen spezialisiert sind, während Allesfresser (polyphage Arten) eher zurück gehen. Am Phloem (Leitstrang) saugende Insekten werden ebenfalls und besonders durch AM gefördert, während am Blattgewebe (Mesophyll) saugende Insekten eher zurück gehen. Während der Stickstoffgehalt der Pflanzen, entgegen der Erwartung, keinen Einfluss hatte, könnte der höhere Zucker- und Phosphatgehalt im Phloemsaft mykorrhizierter Pflanzen für saugende Insekten förderlich sein. Bisher sind aber viele weitere pflanzliche Inhaltsstoffe, die für die Ernährung von Insektenlarven wichtig sind, nicht untersucht worden, wie Sterole, Vitamine, essentielle Aminosäuren und Fette. Die Konzentrationen dieser und weitere Inhaltsstoffe werden durch die Mykorrhizierung verändert, wobei Unterschiede zwischen Pflanzenarten beobachtet wurden (Schweiger et al. 2014a).
Mykorrhizierung führt zu höheren Konzentrationen von Inhaltsstoffe im Blattgewebe, die Parasiten abwehren, wie Alkaloide, Mono- und Diperpenoide, einfache und komplexe Phenole und Glucosinolate (Koricheva et al. 2009). Daraus kann sich ergeben, dass polyphage Insekten abgewehrt werden, während spezialisierte sich auf der für sie ungiftigen Pflanze vermehren. Schon die derbere Struktur der Blätter von mykorrhizierten im Vergleich zu nicht mykorrhizierten Buchensämlingen konnte den Blattlausbefall im Gewächshaus verhindern (Abbildung 9.3.1; Herrmann et al. 1992). Inhaltsstoffe wurden in diesem Fall nicht untersucht, sonst hätte man eventuell auch Hinweise erhalten, warum diese mykorrhizierten Buchensetzlinge nach der Pflanzung auf Waldflächen nicht vom Wild (Rehe, Mäuse) verbissen wurden (Kottke 1999). Wie leicht nachzuvollziehen, handelt es sich bei diesen Inhaltsstoffen um ein hoch interessantes und für die Anwendung wichtiges, neues Feld der Forschung.
Tiere als Verbreiter von Sporen und Samen
[Bearbeiten]Invertebraten, wie Regenwürmer, Springschwänze, Ameisen oder Borkenkäfer, aber auch grabende Säugetiere verbreiten nachweislich die Sporen von Mykorrhizapilzen (Mangan & Adler 2000; Lilleskov & Bruns 2005). Tierverbreitung kann dabei größere Distanzen überwinden als Windverbreitung, wie Untersuchungen an zurückweichenden Gletschern gezeigt haben (Cázares & Trappe 1994). Besonders ausgeprägt ist die Abhängigkeit bei trüffelartigen, unterirdisch reifenden Fruchtkörpern (Blaschke & Bäumler 1989; Carey et al. 2002; Claridge et al. 1996). Ein kleines Känguruh auf Tasmanien ernährt sich z. B. überwiegend von trüffelartigen Pilzen und verbreitet dadurch deren Sporen (Bettongia gaimardi; Johnson 1996). Ein Experiment, bei dem Säugetiere für drei Jahre von Versuchsparzellen ausgeschlossen wurden, zeigte dass dadurch die Artenzahl und die Dichte der Mykorrhizierung durch Glomeromycota deutlich verringert werden (Gehring et al. 2002).
In sommertrockenen Gebieten, aber auch in Hochlagen mit langen Wintern gibt es auffallend viele trüffelartige ECM-Pilze (Laessoe & Hansen 2007). Die Wirtspflanzen dieser Ektomykorrhizapilze sind Bäume oder Sträucher mit meist großen Samen, wie Haselnuß, Buche, Eiche, Tanne oder Fichte, die von Hörnchen, aber auch anderen Säugetieren gefressen werden. Teilweise werden die Früchte als Wintervorrat vergraben. Da diese Tiere auch die im Herbst zahlreichen, ungiftigen, wohlschmeckenden und stark riechenden oberirdischen wie unterirdischen Pilze fressen, können sie beim Vergraben der Samen Pilzmyzel oder Sporen hinzufügen, die an den Pfoten hängen bleiben. Die Konsequenz ist, dass Mykorrhizapilze und Bäume gemeinsam durch Tiere verbreitet werden. Man kann davon ausgehen, dass diese Ernährungsweisen langfristig zu einer Coevolution (gemeinsame Entwicklung) von wohlschmeckenden, großen oberirdischen und trüffelartigen Fruchtkörperformen der Ektomykorrhizapilze und Bäumen mit nährstoffreichen Samen beigetragen haben (Johnson 1996).