Influence of microorganisms and arbuscular mycorrhizal fungi on the metabolome of Lotus japonicus exudate Einfluss von Mikroorganismen und arbuskulären Mykorrhiza-Pilzen auf das Metabolom von Lotus japonicus Exsudat

Abstract

Die steigenden Anforderungen an die Landwirtschaft, einschließlich veränderter Umweltbedingungen, wachsender Konkurrenz um Ackerland und veränderten Verbraucherpräferenzen, erfordern innovative Ansätze in der Pflanzenzüchtung. Im Mittelpunkt stehen die Entwicklung stressresistenter Genotypen und die Verbesserung der Pflanzenerträge. Metabolomik-Studien liefern wichtige Erkenntnisse über pflanzliche Metaboliten, die Qualitätsparameter wie Nährwert, Geschmack, Textur und Toxizität beeinflussen. Insbesondere die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und arbuskulären Mykorrhiza-Pilzen (AM) haben großes Potenzial zur Optimierung landwirtschaftlicher Systeme. Diese Symbiose fördert das Pflanzenwachstum und verbessert die Nährstoffaufnahme, ist jedoch durch den temporären Kollaps der Arbuskeln begrenzt.

Die vorliegende Arbeit untersucht die Auswirkungen der AM-Symbiose auf das Metabolom der Modellpflanze Lotus japonicus. Mithilfe von Massenspektrometrie-Analysen und statistischen Auswertungen wurden Sojasaponine als Marker-Metaboliten identifiziert, die unter mykorrhizierten Bedingungen in höheren Konzentrationen auftreten. Diese wurden isoliert, mittels NMR-Experimenten strukturell charakterisiert und ihre fungiziden Eigenschaften gegenüber AM-Pilzen in Bioassays nachgewiesen. Eine selektive UHPLC-MS/MS-Methode wurde entwickelt, um Sojasaponine in verschiedenen Proben zu quantifizieren und deren Rolle in der Symbiose zu analysieren. Es zeigte sich, dass Mutanten mit reduziertem Sojasaponin-Gehalt eine verbesserte AM-Besiedlung aufwiesen, was deren potenziellen Einsatz in der Landwirtschaft unterstreicht.

Darüber hinaus wurde ein synthetisches Exsudat (SynEx) entwickelt, das primäre Metaboliten enthält, welche das Wachstum symbiotischer Mikroben (Acidovorax delafieldii) fördern. Dieses ermöglicht zukünftige Studien zu den synergistischen Effekten von Mikroorganismen in der Rhizosphäre. Die Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse über die Wechselwirkungen zwischen pflanzlichen Metaboliten, Mikroorganismen und AM-Pilzen und legen die Grundlage für nachhaltige Strategien zur Verbesserung von Ernteerträgen und funktionalen Lebensmitteln. Langfristig könnten diese Ansätze zu einer nachhaltigeren Landwirtschaft mit optimierten Pflanzensymbiosen beitragen.

The increasing challenges faced by agriculture, including shifting environmental conditions, heightened competition for arable land, and changing consumer preferences, demand innovative approaches in plant breeding. Central to these efforts are the development of stress-resistant genotypes and the improvement of crop yields. Metabolomic studies provide critical insights into plant metabolites that influence quality parameters such as nutritional value, flavor, texture, and toxicity. In particular, the interactions between plants and arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) hold significant potential for optimizing agricultural systems. This symbiosis promotes plant growth and enhances nutrient uptake but is limited by the temporary collapse of arbuscules.

This study investigates the impact of AM symbiosis on the metabolome of the model plant Lotus japonicus. Using mass spectrometry analyses and statistical evaluations, soyasaponins were identified as marker metabolites present at higher concentrations under mycorrhizal conditions. These metabolites were isolated, structurally characterized through NMR experiments, and their fungicidal properties against AMF were demonstrated in bioassays. A selective UHPLC-MS/MS method was developed to quantify soyasaponins in various samples and analyze their role in the symbiosis. It was observed that mutants with reduced soyasaponin levels exhibited improved AM colonization, highlighting their potential application in agriculture.

Furthermore, a synthetic exudate (SynEx) was developed, containing primary metabolites that support the growth of symbiotic microbes such as Acidovorax delafieldii. This synthetic exudate facilitates future studies on the synergistic effects of microorganisms in the rhizosphere. The findings provide new insights into the interactions between plant metabolites, microorganisms, and AMF, forming the basis for sustainable strategies to improve crop yields and functional foods. In the long term, these approaches could contribute to more sustainable agriculture through optimized plant symbioses.