Isotopenanalyse zeigt, welche Pflanzen sich von Pilzen ernähren Schmarotzer-Pflanzen fliegen zukünftig auf

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Die meisten Pflanzen leben in einer Symbiose mit Pilzen. Oft sind sie aber nicht gleichwertige Partner, sondern nehmen mehr von den Pilzen, als sie geben. Mithilfe der Isotopenanalytik lässt sich der Ursprung der Pflanzennährstoffe bestimmen – ein neues Verfahren macht dies nun auch für Pilze ohne Fruchtkörper möglich.

Pflanzen gelten als Selbstversorger: Nach einer immer noch weit verbreiteten Auffassung produzieren Pflanzen den gesamten Kohlenstoff, den sie benötigen, durch eigene Photosynthese und werden daher als autotroph bezeichnet. Viele Pflanzen sind jedoch heterotroph: Sie benutzen die Symbiose mit Pilzen, die so genannte Mykorrhiza, um den Pilzpartnern Kohlenstoff zu entziehen. Es gibt sogar Pflanzen, die auf diese Weise ihren gesamten Kohlenstoffbedarf decken und die eigene Photosynthese völlig eingestellt haben.

Wie aber lässt sich feststellen, woher eine Pflanze ihre Nährstoffe erhält? Internationale Forschungsgruppen unter der Leitung von Prof. Dr. Gerhard Gebauer an der Universität Bayreuth stellen jetzt ein Verfahren vor, das es erstmals ermöglicht, Isotopenanalysen ohne Einschränkungen auf alle Formen der Symbiose von Pflanzen und Pilzen anzuwenden. Im Prinzip lässt sich damit künftig für jede Pflanze feststellen, welche und wie viele Nährstoffe sie von Pilzpartnern bezieht.

Isotopenanalysen legen den Ursprung der Pflanzennährstoffe offen

Die Erforschung des Nahrungstransfers von Pilzen zu Pflanzen macht sich seit vielen Jahren die Tatsache zunutze, dass der von den Pflanzen selbst hergestellte Kohlenstoff ein anderes Isotopenprofil aufweist als der in den Pilzpartnern vorhandene Kohlenstoff. Das bedeutet: Die Isotope des Kohlenstoffs kommen in den Pilzpartnern in anderer Häufigkeit vor als im Kohlenstoff, den die Pflanzen durch eigene Photosynthese produzieren. Die Isotopenanalyse des in Pflanzen gespeicherten Kohlenstoffs erlaubt daher Rückschlüsse auf die Höhe des Kohlenstoffanteils, der aus Pilzen stammt.

Diese Berechnungen sind allerdings nur möglich, wenn zwei Referenzwerte bekannt sind: das Isotopenprofil des Kohlenstoffs in autotrophen Pflanzen und das Isotopenprofil des Kohlenstoffs in den Pilzpartnern. Zwischen beiden Referenzwerten liegt das Isotopenprofil des Kohlenstoffs in heterotrophen Pflanzen, die einen Teil des benötigten Kohlenstoffs ihren Pilzpartnern entziehen. Auf diesem Weg hat die Isotopenforschung bereits eine Vielzahl neuer Erkenntnisse über Symbiosen zwischen Pilzen und Pflanzen zutage gefördert.

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Neues Verfahren funktioniert auch für Pilze ohne Fruchtkörper

Bisher allerdings unterlag die Forschung einer erheblichen Einschränkung: Die Pilzpartner mussten eigene Fruchtkörper bilden und ihren Kohlenstoff darin abspeichern. Nur unter dieser Voraussetzung war pilzeigener Kohlenstoff in den für Isotopenanalysen erforderlichen Mengen zugänglich. Nun ist aber schon seit langem bekannt, dass nur etwa zehn Prozent der Pilze, die in einer Symbiose mit Pflanzen leben, Fruchtkörper ausbilden. Folglich fehlte meistens einer der zwei Referenzwerte, die nötig sind, damit Art und Umfang pflanzlicher Heterotrophie zuverlässig bestimmt werden können. Für dieses Problem hat das Bayreuther Forschungsteam eine Lösung gefunden.

Den Wissenschaftlern ist es gelungen, pilzeigenen Kohlenstoff aus den Pilzfäden – den so genannten Hyphen – herauszulösen, die mit den Wurzeln von Pflanzen verflochten waren. Auch pilzeigenen Stickstoff und Wasserstoff isolierten sie auf diesem Weg. Die veröffentlichten Studien enthalten zahlreiche Beispiele für Anwendungen der Isotopenanalyse, die das neue Verfahren jetzt möglich gemacht hat. „Für die Ökosystem-Forschung zu symbiotischen Beziehungen von Pflanzen und Pilzen stehen jetzt die Türen weit offen“, sagt Studienleiter Gebauer.

Fallstudien an Waldpflanzen und Orchideen

Im Fokus der Untersuchungen standen Pilze ohne Fruchtkörper, die mit kleinen blattlosen, zur Photosynthese unfähigen und damit völlig heterotrophen Pflanzen in einer Form von Symbiose leben (arbuskuläre Mykorrhiza). Forschungspartner in Japan und Australien hatten die Waldpflanzen den Wissenschaftlern in Bayreuth zur Verfügung gestellt, denen es gelang, Zellfäden (Hyphen) der Pilze aus dem Wurzelgeflecht der Waldpflanzen herauszulösen und für Isotopenanalysen zu präparieren. Die Analysen lieferten erstmalig Isotopenhäufigkeiten von Pilzpartnern der arbuskulären Mykorrhiza bei völlig heterotrophen Pflanzen.

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Ein weiterer Schwerpunkt der Forschungsarbeiten waren die Isotopenprofile von Orchideen, die in Nordostbayern heimisch sind und ebenfalls eine Mykorrhiza mit Pilzen bilden, die keine Fruchtkörper produzieren. Aber auch eine auf Hawaii angesiedelte Orchidee wurde zum Vergleich in die Untersuchungen einbezogen. Aus den Wurzelzellen der Orchideen wurden Pelotone von Pilzen – dies sind kleine ballförmige Knäuel von Hyphen – isoliert, was sich als besonders schwierig erwies. Erste Isotopenanalysen deuten darauf hin, dass die ausgewählten Orchideen ebenfalls einen erheblichen Anteil ihres Bedarfs an Stickstoff und anderen Nährstoffen den Pilzen entziehen.

Originalpublikationen:

Franziska E. Zahn, Erik Söll, Thomas K. Chapin, Deyi Wang, Sofia I. F. Gomes, Nicole A. Hynson, Johanna Pausch, Gerhard Gebauer: Novel insights into orchid mycorrhiza functioning from stable isotope signatures of fungal pelotons. New Phytologist (2023); DOI: 10.1111/nph.18991

Sofia I.F. Gomes, Philipp Giesemann, Saskia Klink, Colin Hunt, Kenji Suetsugu, Gerhard Gebauer: Stable isotope natural abundances of fungal hyphae extracted from the roots of arbuscular mycorrhizal mycoheterotrophs and rhizoctonia-associated orchids. New Phytologist (2023); DOI: 10.1111/nph.18990

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