No organism lives by itself. Not even plants. On their leaves and roots complex communities of various bacterial species can be found. Just as the natural intestinal microbial flora helps humans to digest food and protects them from pathogenic microorganisms, these bacteria are presumably also of great importance for plant growth and plant health.

Scientists at ETH Zurich and the Max Planck Institute for Plant Breeding Research in Cologne have now inventoried and cultivated the majority of the bacterial species that naturally occur on a specific plant species. The researchers carried out their investigation using the thale cress (Arabidopsis thaliana), a plant that serves as a model organism in science. The results of this work have just been published in the journal Nature.

For the first time, the researchers have created a comprehensive collection of the bacterial strains living on this species of plant. They isolated almost 10,000 bacterial strains and selected 432 of these for further study. “We were surprised to find that more than half of the species identified through molecular biology could also be cultivated in the laboratory,” says Daniel Müller, a doctoral student in ETH Professor Julia Vorholt’s group and one of the study’s lead authors. Until now, scientists have assumed that about one percent of naturally occurring micro-organisms are able to grow under laboratory conditions. “We were able to disprove this assumption in our study,” says Müller.

Consistent bacterial colonisation

In their study, the researchers found considerable similarities between the microbial communities living on the leaves and on the roots of the thale cress: of the at least one hundred different species of bacteria living on leaves and roots, almost half are the same. It is possible that the majority of the root and leaf bacteria originate from the exceptionally diverse community of soil bacteria, and that leaves of these annual plants are colonised by micro-organisms as the plant grows out of the ground.

The differences between various locations in Switzerland and Germany where the researchers collected wild plants are also small. “Most of the species present were found at all of the locations. There is a considerable evidence to suggest that preserved mechanisms exist which ensure that certain bacteria can grow on plants and others cannot,” says Julia Vorholt, Professor of Microbiology at ETH Zurich. She led the study alongside with Paul Schulze-Lefert, director at the Max Planck Institute for Plant Breeding Research.

A prerequisite for laboratory experiments

Plant microbiome research is still a relatively young discipline. Researchers’ work has thus far been primarily descriptive in nature. Now that the scientists from Zurich and Cologne have created a collection of bacteria with representative strains, they can go one step further: “Thanks to these bacterial isolates, we can now reproduce natural processes in the laboratory and perform targeted experiments under controlled conditions,” says Müller. For this purpose, the researchers cultivate the bacteria on germ-free plants. In initial recolonisation experiments under controlled laboratory conditions, stable bacterial communities were formed, mimicking the population observed in nature. “The experiments were reproducible. This means that our bacterial strains and our approach are suitable for this type of experiment,” says Vorholt.

In the future, the researchers could use this method to analyse the role of individual bacteria in growth promotion and susceptibility of the host plant to pathogens, for example, or to investigate whether the microbiome changes under conditions of stress such as drought or intense sunshine. It would be hard to carry out experiments of this kind outdoors, because the influence of varying environmental conditions would be too strong.

Microflora assists plants

Scientists have already found indications that plants have better access to nutrients and grow more quickly if they are colonised by certain micro-organisms. There are also indications that pathogens have a harder time to establish themselves on a plant if certain bacteria are present on the plant.

Understanding this natural plant protection, which is maintained by the plants’ microbiome, is a question that has started to interest university researchers in recent years. But they are not alone in their endeavours: seed and pest-control companies are also conducting research in this field, with a view to supplying natural, microbial plant protection products in the future.

ETH Professor Vorholt received an Advanced Grant from the European Research Council (ERC) in June. “Thanks to this support and with our new bacteria collection, our long-term aim is to investigate the interaction between plants and the bacteria living on them,” she says.

Kein Organismus lebt für sich allein. Auch Pflanzen nicht. Auf ihren Blättern und Wurzeln leben komplexe Gemeinschaften von verschiedenen Bakterienarten. Ähnlich wie die natürliche Darmflora dem Menschen bei der Verdauung von Nahrung hilft und ihn vor krankmachenden Mikroorganismen schützt, sind die Mikroorganismen vermutlich auch für das Pflanzenwachstum und die Pflanzengesundheit von enormer Bedeutung.

Wissenschaftler der ETH Zürich und des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln haben nun einen Grossteil der Bakterienarten, die natürlicherweise auf einer bestimmten Pflanzenart leben, inventarisiert und kultiviert. Die Forschenden führten ihre Untersuchung an der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) durch, einer Modellpflanze der Wissenschaft. Die Resultate der Arbeit sind soeben in der Fachzeitschrift Nature erschienen.

Erstmals haben die Forschenden eine umfassende Kollektion der Bakterienstämme dieser Pflanzenart angelegt. Sie isolierten fast 10‘000 Bakterienstämme und wählten 432 für weiterführende Studien aus. «Wir waren überrascht, dass sich mehr als die Hälfte der molekularbiologisch nachgewiesenen Arten auch im Labor kultivieren liessen», sagt Daniel Müller, Doktorand in der Gruppe von ETH-Professorin Julia Vorholt und einer der Erstautoren der Studie. Bislang ging die Wissenschaft davon aus, dass etwa ein Prozent der natürlich vorkommenden Mikroorganismen unter Laborbedingungen wachsen können. «Diese Annahme haben wir in dieser Studie widerlegt», sagt Müller.

Konstante Bakterienbesiedlung

In ihrer Studie fanden die Forschenden grosse Ähnlichkeiten zwischen den mikrobiellen Lebensgemeinschaften auf den Blättern und den Wurzeln der Ackerschmalwand: Fast die Hälfte der je gut hundert verschiedenen Bakterienarten auf den Blättern und in der Wurzel sind dieselben. Möglicherweise stammen der Grossteil der Wurzel- und der Blattbakterien ursprünglich aus der ausserordentlich vielfältigen Gemeinschaft von Bodenbakterien, und die Blätter der einjährigen Pflanze werden während des Wachstums vom Boden aus mit Mikroorganismen besiedelt.

Auch die Unterschiede zwischen verschiedenen Standorten in der Schweiz und in Deutschland, an denen die Forscher Wildpflanzen sammelten, sind klein. «Den Grossteil der vorkommenden Arten haben wir an allen Standorten gefunden. Vieles spricht dafür, dass es konservierte Mechanismen gibt, die dafür sorgen, dass gewisse Bakterien auf Pflanzen wachsen können und andere nicht», sagt Julia Vorholt, Professorin für Mikrobiologie an der ETH Zürich. Sie leitete die Studie gemeinsam mit Paul Schulze-Lefert, Direktor am Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung.

Voraussetzung für Laborexperimente

Die Erforschung des Pflanzenmikrobioms ist eine noch relativ junge Wissenschaft. Bisher arbeiteten Forschende vor allem beschreibend. Indem die Wissenschaftler aus Zürich und Köln eine Bakterien-Kollektion mit repräsentativen Stämmen angelegt haben, können sie nun einen Schritt weitergehen: «Dank dieser Bakterienisolate können wir die Vorgänge in der Natur nun im Labor nachbauen, um dann gezielt und unter kontrollierten Bedingungen Experimente durchzuführen», sagt Müller. Dazu kultivieren die Forschenden die Bakterien auf keimfreien Pflanzen. In ersten solchen Wiederbesiedlungssexperimenten im Labor stellte sich auf den Pflanzen ein Gleichgewicht an Bakterien ein, das dem in der Natur ähnlich war. «Die Experimente waren reproduzierbar. Das heisst, dass unsere Bakterienkulturen und unser Ansatz für diese Art von Experimenten geeignet sind», sagt Vorholt.

In Zukunft könnten die Forschenden auf diese Weise beispielsweise die Rolle der einzelnen Bakterien für das Wachstum und die Anfälligkeit auf Krankheitserreger analysieren oder untersuchen, ob sich das Mikrobiom unter Stressbedingungen wie Trockenheit oder intensiver Sonneneinstrahlung verändert. Im Freien wären solche Experimente nur schwer durchzuführen, weil sie durch schwankende Umweltbedingungen zu stark beeinflusst würden.

Mikroflora hilft Pflanzen

Wissenschaftler fanden bereits Hinweise darauf, dass Nährstoffe den Pflanzen besser zur Verfügung stehen und die Pflanzen schneller wachsen, wenn sie von bestimmten Mikroorganismen besiedelt sind. Ausserdem gibt es Hinweise, dass sich Krankheitskeime schlechter auf einer Pflanze etablieren können, wenn bestimmte Bakterien auf der Pflanze anwesend sind.

Diesen natürlichen Pflanzenschutz, der durch das Mikrobiom der Pflanzen unterhalten wird, zu verstehen, ist nicht nur eine Frage, die Forschende an Universitäten in den letzten Jahren zu interessieren begann. Auch Saatgut- und Pflanzenschutzfirmen sind in diesem Forschungsfeld aktiv mit dem Ziel, in Zukunft natürliche mikrobielle Pflanzenschutzmittel anbieten zu können.

ETH-Professorin Vorholt erhielt im Juni einen Advanced Grant des Europäischen Forschungsrats ERC. «Mit dieser Unterstützung und mit unserer neuen Bakteriensammlung wollen wir langfristig die Wechselwirkung zwischen den Pflanzen und den darauf lebenden Bakterien untersuchen», sagt sie.