Von Äpfeln und Ölkürbissen: Neues aus der Mikrobiomforschung

Wie sehr die Zusammensetzung des Mikrobioms von Äpfeln und Ölkürbissen von der Geographie des Standortes abhängt und welche Erkenntnisse sich daraus für Züchtung, Gesundheit und Haltbarkeit der Früchte ableiten lassen, zeigen zwei aktuelle Publikationen von Forschenden der TU Graz.

Als Mikrobiom bezeichnen wir die Gemeinschaft von Mikroorganismen, die in oder auf allen Organismen existieren, darunter Bakterien und Pilze. Ein Team des Instituts für Umweltbiotechnologie der TU Graz rund um Institutsleiterin Gabriele Berg hat nun in zwei voneinander unabhängigen Studien die Mikrobiome von Äpfeln und Ölkürbissen näher untersucht. Die Forschenden haben herausgefunden, dass für die Pflanzen nützliche Bakterien weitgehend „vererbt“, also an die nächste Generation weitergegeben werden, während die Gemeinschaft der Pilze im Mikrobiom stark vom jeweiligen Bodenmikrobiom und somit vom Standort abhängig sind.

Mikrobiom-gesteuerte Züchtung von Ölkürbissen

Die Züchtung des steirischen Ölkürbis ist mit rund 150 Jahren relativ jung und gut dokumentiert. Durch die gezielte Züchtung resistenter, immer schmackhafterer und ertragreicherer Kürbispflanzen hat sich das Samen-Mikrobiom des Ölkürbis über die Generationen mitverändert. Anhand einer gut dokumentierten Züchtungslinie konnten die Umweltbiotechnologinnen und -technologen der TU Graz erstmals nachweisen, dass die Mikroorganismen am Samen des Kürbis vererbt und wohl ausschlaggebend für bestimmte Pflanzeneigenschaften sind.

Peter Kusstatscher, einer der Studienautoren, erklärt: „Wir haben Bakterien und Pilze am Samen der Ölkürbisse untersucht und herausgefunden, dass die Pflanze einen Großteil ihrer Bakterien am Samen – bis zu 60 Prozent nämlich – an die nächste Generation weitergibt, während die Pilzvielfalt am Samen weitgehend vom lokalen Bodenmikrobiom abhängt. Vererbt,“ so Kusstatscher weiter, „werden dabei vor allem für die Pflanzen nützliche Mikroorganismen. Da verhält es sich bei der Pflanze ähnlich wie beim Menschen: Babys erhalten ihr Mikrobiom auch von der Mutter.“

Die in Frontiers in Plant Science publizierten Ergebnisse ebnen erstmals den Weg hin zur Mikrobiom-gesteuerten Züchtung von Ölkürbissen. Die gezielte Züchtung eines vorteilhaften Samen-Mikrobioms führt zu Pflanzeneigenschaften, die sich positiv auf Ertrag, Gesundheit und Lagerfähigkeit von Ölkürbissen auswirken.

Das Projekt wurde durch die Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft FFG sowie aus Mitteln des Horizon 2020 Forschungsprojektes Excalibur gefördert. Kooperationspartner war die Saatzucht Gleisdorf GmbH.

Dem universellen Apfel-Mikrobiom auf der Spur

Äpfel zählen weltweit zu den beliebtesten und am häufigsten konsumierten Früchten. Fruchtqualität, Ertragssicherheit und die Lagerfähigkeit von Äpfeln spielen für Obstbauern, Obsthandel und für Verbraucherinnen und Verbraucher eine große Rolle. In einer weltweiten Studie wurde der Apfel der Sorte „Royal Gala“ erstmals hinsichtlich der Zusammensetzung und allfälliger lokaler Unterschiede seines Mikrobioms auf und in der Apfelfrucht untersucht.

Ein internationales Team konnte zeigen, dass Beschaffenheit und Struktur der Pilz- und Bakteriengemeinschaften des Apfels zum Zeitpunkt der Erntereife von Region zu Region variieren, also stark vom geografischen Standort und somit von den vorherrschenden klimatischen Bedingungen und der Bewirtschaftungspraxis abhängig sind. Insbesondere die Pilzvielfalt der Früchte ist signifikant standortabhängig und legt einen Zusammenhang zu Art und Häufigkeit von Nachernteerkrankungen nahe.

Ahmed Abdelfattah, Marie Curie Postdoc-Fellow am Institut für Umweltbiotechnologie der TU Graz und Erstautor der Studie erklärt: „Bei aller regionalen Unterschiedlichkeit der Mikrobiom-Gemeinschaft des ‚Royal Gala‘-Apfels, konnten wir im weltweiten Vergleich ein sogenanntes ‚Kern‘-Mikrobiom identifizieren, das Früchte auf der ganzen Welt gemeinsam haben. Dieses globale ‚Kern‘-Mikrobiom ist durch mehrere nützliche mikrobielle Indikatoren repräsentiert und macht einen Gutteil der mikrobiellen Gemeinschaft der Frucht aus.“

Ähnlich wie die Studienergebnisse zum Ölkürbis legt auch diese Studie einen weiteren Grundstein für neue Ansätze zur Verbesserung der Fruchtqualität und -gesundheit, in diesem Fall des Apfels. Weiters bilden die Ergebnisse die Grundlage für Untersuchungen komplexer mikrobieller Interaktionen auf der Oberfläche von Apfelfrüchten. Die Studienergebnisse wurden in Environmental Microbiology publiziert. Das Projekt wurde durch den Israel-US Binational Agricultural Research and Development Fund sowie durch ein Marie Skłodowska-Curie Actions Individual Fellowship des Horizon 2020 Programms gefördert.

Beide Studien unterstreichen die Bedeutung des Mikrobioms für Gesundheitsfragen von der Kulturpflanze im Agrarökosystem bis zum Menschen, der die Lebensmittel konsumiert. Gleichzeitig eröffnen sich neue Wege zum Mikrobiom-Management für eine umweltfreundliche Kontrolle von Schaderregern.

Dieses Forschungsgebiet ist im Field of Expertise „Human & Biotechnology“ (http://www.tugraz.at/go/human-biotechnology) verankert, einem von fünf strategischen Forschungsschwerpunkten der TU Graz.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Gabriele BERG
Univ.-Prof. Dipl.-Biol. Dr.rer.nat.
TU Graz | Institut für Umweltbiotechnologie
Tel.: +43 316 873 8310
gabriele.berg@tugraz.at

Peter KUSSTATSCHER
Dipl.-Ing. Dr. techn.
Tel. +43 316 873 8812
peter.kusstatscher@tugraz.at

Ahmed ABDELFATTAH
PhD
Tel.: +43 316 873 8312
ahmed.abdelfattah@tugraz.at

Originalpublikation:

Publikation in Frontiers in Plant Science
“Microbiome-assisted breeding to understand cultivar-dependent assembly in Cucurbita pepo”. P. Kusstatscher, E. Adam, W. A. Wicaksono, M. Bernhart, E. Olimi, H. Mueller, G. Berg. doi: 10.3389/fpls.2021.642027. https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2021.642027/full

Publikation in Environmental Microbiology
“Global analysis of the apple fruit microbiome: Are all apples the same?” A. Abdelfattah et al. doi: https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-142742/v1.
https://sfamjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1462-2920.15469?af=R

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