Potsdam, Germany
December 5, 2022
Apple seedlings (Photo: Abdelfattah/ATB)
What defines us and other living organisms more strongly: genes or the environment? Only recently, researchers were able to prove experimentally that even microorganisms can be inherited from one plant generation to the next via the seed. In an article just published open access in the journal Trends in Microbiology, scientists examine the process of microbial inheritance via the seed in more detail and identify factors that significantly influence the assembly of the plant microbiome. With their basic work, the authors create an important milestone of microbiome research.
Experimental studies suggest that plants not only inherit genetic traits with their seeds, but also a complex microbiome consisting of fungi, bacteria and archaea.
From the seed to the leaf - Microbiome of a leaf in a petri dish (Photo: Franziska Jauernegger/ATB)
"The knowledge of microbial inheritance opens up the possibility for researchers worldwide to develop a whole new understanding of the natural world and expand our ability to influence it. Plant microbiomes have a huge impact on plant health, resistance, growth and even nutrient uptake. Unfortunately, we know very little about how these communities of microorganisms find their way from one plant generation to the next,” says Dr Ahmed Abdelfattah, group leader on Microbiome Management at the Leibniz Institute for Agricultural Engineering and Bioeconomy and first author of the publication. In 2021, he and a team of scientists were able to experimentally demonstrate microbial inheritance via the seed for the first time.
He therefore took a closer look at microbial inheritance in plants together with his colleagues from Stockholm University, Graz University of Technology and Potsdam University. In their paper, they divide the inheritance process into three stages: from plant to seed, seed dormancy and seed to seedling and shed light on the factors affecting the microbial transmission in each stage.
In the first stage from plant to seed the plant species, its environmental conditions during seed maturation and its reproductive form are among the central influencing factors. In the second stage the type and the design of seed dormancy, among other factors, play a central role as the microbiome of seeds that have to be stored temporarily behaves differently from the microbiome of a seed that naturally rests before it begins to germinate. During germination, in turn, the microorganisms have to find their way into the appropriate plant tissue, where transmission pathways but also genetic factors could be important.
“If we understand how microbial inheritance works and how we can influence it, there is enormous potential for applications. This knowledge could help restoring ecosystems and optimizing agriculture by, for example, transferring beneficial microorganisms to seeds through coating or by incorporating the microbiome into storage conditions or work processes,” concludes Abdelfattah.
Original publication (Open Access):
Ahmed Abdelfattah, Ayco J. M. Tack, Carolina Lobato, Birgit Wassermann, Gabriele Berg (2022): From seed to seed: the role of microbial inheritance in the assembly of the plant microbiome. Trends of Microbiology (https://doi.org/10.1016/j.tim.2022.10.009)
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Eine Reise über Generationen - Die Vererbung des Pflanzen-Mikrobioms über den Samen
Was definiert uns und andere Lebewesen stärker: die Gene oder die Umwelt? Erst kürzlich konnten Forschende experimentell nachweisen, dass über den Samen nicht nur genetische Merkmale, sondern auch Mikroorganismen von einer Pflanzengeneration zur nächsten vererbt werden. Im soeben im Open Access in der Zeitschrift Trends in Microbiology erschienenen Artikel untersuchen Forschende den Prozess der mikrobiellen Vererbung über den Samen genauer und identifizieren Faktoren, die den Aufbau des Mikrobioms der Pflanze maßgeblich beeinflussen. Mit ihrer Grundlagenarbeit schaffen die Autoren einen wichtigen Meilenstein für die Mikrobiomforschung.
Experimentelle Untersuchungen legen nahe, dass Pflanzen mit ihren Samen nicht nur genetische Merkmale vererben, sondern ebenso ein komplexes Mikrobiom aus Pilzen, Bakterien und Archaäen.
„Das Wissen darum, dass mikrobielle Vererbung überhaupt existiert, eröffnet Forschenden weltweit die Möglichkeit, ein ganz neues Verständnis der natürlichen Welt zu entwickeln und unsere Einflussmöglichkeiten darauf zu erweitern. Die Mikrobiome der Pflanze einen großen Einfluss auf deren Gesundheit, Widerstandsfähigkeit, Wachstum und auch Nährstoffaufnahme. Leider wissen wir bisher nur sehr wenig darüber, wie diese Gemeinschaften aus Mikroorgansimen ihren Weg von der Pflanze über den Samen in die nachwachsende Pflanze finden“, sagt Dr. Ahmed Abdelfattah, Arbeitsgruppenleiter für Mikrobiom-Management am Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie und Erstautor der Publikation. Im Jahr 2021 konnten er und ein Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern die mikrobielle Vererbung über den Samen erstmals experimentell nachweisen.
Deshalb nahm er die mikrobielle Vererbung an Pflanzen zusammen mit Kolleginnen und Kollegen von der Universität Stockholm, der Technischen Universität Graz und der Universität Potsdam genauer unter die Lupe. In ihrem Paper unterteilen sie den Vererbungsprozess in die drei Stadien: Pflanze zu Samen, Samenruhe und Samen zu Keimling und beleuchten dabei die Faktoren, die den Aufbau des Mikrobioms beeinflussen.
In der ersten Phase von Pflanze zu Samen zählen zu den zentralen Einflussfaktoren die Pflanzenart, ihre Umgebungsbedingungen bei der Samenreifung und ihre Fortpflanzungsform. In der zweiten Phase spielen die Art und die Ausgestaltung der Samenruhe eine zentrale Rolle. So verhält sich das Mikrobiom von Samen, die zwischenzeitlich gelagert werden müssen, anders als das Mikrobiom eines Samens, der natürlicherweise ruht, bevor er zu keimen beginnt. Bei der Keimung wiederum müssen die Mikroorganismen ihren Weg in das passende Pflanzengewebe finden, wobei die Übertragungswege aber auch die genetischen Faktoren von Bedeutung sein könnten.
„Wenn wir verstehen, wie genau mikrobielle Vererbung funktioniert und wie wir sie beeinflussen können, entsteht ein enormes Anwendungspotential. Dieses Wissen könnte dazu beitragen, Ökosysteme wiederherzustellen und die Landwirtschaft zu optimieren, in dem wir z.B. nützliche Mikroorganismen mittels Coating auf die Samen übertragen oder bei Lagerbedingungen oder Arbeitsprozessen das Mikrobiom einbeziehen“, fasst Abdelfattah zusammen.
Originalpublikation (Open Access):
Ahmed Abdelfattah, Ayco J. M. Tack, Carolina Lobato, Birgit Wassermann, Gabriele Berg (2022): From seed to seed: the role of microbial inheritance in the assembly of the plant microbiome. Trends of Microbiology (https://doi.org/10.1016/j.tim.2022.10.009)
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