Graz, Austria
April 14, 2021
We refer to the microbiome as the community of microorganisms that exist in or on all organisms, including bacteria and fungi. A team from the Institute of Environmental Biotechnology at Graz University of Technology (TU Graz) led by Institute head Gabriele Berg has now investigated the microbiomes of apples and oil pumpkins in two independent studies. The researchers have found that bacteria useful to plants are largely "inherited," i.e., passed on to the next generation, while the community of fungi in the microbiome is highly dependent on the particular soil microbiome and thus on the locality.
Microbiome-guided breeding of oil pumpkins
The breeding of the Styrian oil pumpkin is relatively recent - it started about 150 years ago and is well documented. Through selective breeding of resistant, increasingly tasty and high-yielding pumpkins, the seed microbiome of the oil pumpkin has changed over the generations. Using a well-documented breeding line, the environmental biotechnologists at TU Graz were able to demonstrate for the first time that the microorganisms on the seeds of the pumpkin are inherited and probably crucial for certain plant traits. Peter Kusstatscher, one of the study authors, explains: "We studied bacteria and fungi on oil pumpkin seeds and found that the plant passes on much of its bacteria on the seed - up to 60 percent, in fact - to the next generation, while fungal diversity on the seed depends largely on the local soil microbiome." Kusstatscher continues, "It's mainly microorganisms that are useful for the plants that are inherited. In this respect, the plant behaves in a similar way to humans: babies also get their microbiome from their mothers."
The results published in Frontiers in Plant Science pave the way towards a microbiome-controlled breeding of oil pumpkins. Selective breeding of a beneficial seed microbiome results in plant traits that have a positive impact on yield, health and storability of oil pumpkins.
On the tracks of the universal apple microbiome
Apples are among the most popular and widely consumed fruits in the world. Fruit quality, yield, and storability are important factors for fruit growers, fruit trade, and consumers. In a worldwide study, the apple of the variety "Royal Gala" was examined for the first time with regard to the composition and possible local differences of its microbiome. An international team was able to show that the nature and structure of the fungal and bacterial communities of the apple at the time of harvest vary from region to region, i.e. they are strongly dependent on the geographical location and thus on the prevailing climatic conditions and management practices. In particular, the fungal diversity of the fruit is significantly dependent on the locality and suggests a relationship to the type and frequency of post-harvest diseases. On the other hand, a continental pattern can be drawn especially for the bacterial community which indicates adaptation of the apple microbiome to local environments.
Ahmed Abdelfattah, Marie Curie post-doctoral fellow at the Institute of Environmental Biotechnology at TU Graz and lead author of the study explains: "Despite the variations we observed in the apple microbiome, we were still able to identify a so-called 'core' microbiome i.e. members of the microbiome that are shared globally among the apples. This global 'core' microbiome is represented by several beneficial microbial indicators and makes up a large portion of the fruit's microbial community."
Similar to the study results on oil pumpkin, this study lays another foundation for new approaches to improving fruit quality and health, in this case of apples. Furthermore, the results form the basis for investigations of complex microbial interactions on the surface of apple fruits. The study results were published in Environmental Microbiology.
Both studies highlight the importance of the microbiome for health issues from the crop in the agro-ecosystem to humans who consume the food. At the same time, new avenues for microbiome management are opening up for environmentally friendly pest control.
This research area is anchored in the Field of Expertise "Human & Biotechnology", one of the five research foci of TU Graz.
Publication 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. https://doi.org/10.3389/fpls.2021.642027
The project was funded by the Austrian Research Promotion Agency FFG and by the Horizon 2020 research project Excalibur. The cooperation partner was Saatzucht Gleisdorf GmbH.
Publication in Environmental Microbiology:
"Global analysis of the apple fruit microbiome: Are all apples the same?" Abdelfattah, A., et al. https://doi.org/10.1111/1462-2920.15469 The project was supported by the Israel-US Binational Agricultural Research and Development Fund and a Marie Sk?odowska-Curie Actions Individual Fellowship of the Horizon 2020 programme.
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.
Topics
Species
