Die Phyllosphäre ist in der Ökologie der Bereich, den die Oberflächen von Blättern und Blattscheiden als Lebensraum für andere Organismen bilden. Die Phyllosphäre stellt die größte biologische Oberfläche der Erde dar und wird insbesondere von zahlreichen Mikroorganismen, in erster Linie Bakterien, Hefen und fadenförmigen Pilzen, besiedelt. In Anpassung an einen nährstoffarmen Lebensraum mit speziellem Untergrund (wasserabstoßende Cuticula der Blätter) und rasch wechselnden Bedingungen – zum Beispiel hinsichtlich Feuchte und Strahlung – entwickelten die Phyllosphärenbewohner ein breites Spektrum an Überlebensstrategien.
Zur Aufklärung der bislang nur ansatzweise bekannten Biodiversität und der komplexen Wechselbeziehungen, die bis zur Rolle der Phyllosphärengesellschaften in globalen Stoffkreisläufen reichen, bedient sich das vergleichsweise junge Feld der Phyllosphärenforschung auch molekularbiologischer Methoden. Lag anfangs das Hauptinteresse auf der Untersuchung von Krankheitserregern bei Pflanzen, wurde inzwischen auch die Bedeutung der zahlreichen neutral oder gar fördernd auf ihre Unterlage wirkenden Phyllosphärenbewohner erkannt, die beispielsweise im biologischen Pflanzenschutz eingesetzt werden können.
Begriffe miniatur|Epiphylles (foliicoles) Moos in einem Bergregenwald Der Begriff „Phyllosphäre“ wurde Mitte der 1950er-Jahre in Analogie zur Rhizosphäre (dem Bereich um die Pflanzenwurzeln) für die Grenzschicht zwischen Blatt und Atmosphäre geprägt.F. T. Last: Seasonal incidence of Sporobolomyces on cereal leaves. Transactions of the British Mycological Society 38, 1955, S. 221–239.Jakoba Ruinen: Occurrence of „Beijerinckia“ species in the phyllosphere. Nature 177, 1956, S. 220–221. Er leitet sich von den altgriechischen Bezeichnungen phyllon ‚Blatt‘ und sphaira ‚Kugel‘, ‚Ball‘ her.Wilhelm Gemoll: Griechisch-Deutsches Schul- und Handwörterbuch. München/Wien 1965. Die räumliche Abgrenzung des Phyllosphärenbegriffes (im Deutschen gelegentlich auch als BlattraumElmar Weiler, Lutz Nover: Allgemeine und molekulare Botanik. G. Thieme, Stuttgart 2008, ISBN 978-3131476616, S. 805. bezeichnet) wird in der Fachliteratur uneinheitlich gehandhabt und teilweise nicht nur auf Blätter und Blattscheiden beschränkt, sondern auf die Oberflächen sämtlicher oberirdischer Pflanzenorgane, also auch Knospen, Blüten, Früchte und Stängel ausgedehnt.T. M. Timms-Wilson, K. Smalla et al.: Microbial Diversity in the Phyllosphere and Rhizosphere of Field Grown Crop Plants: Microbial Specialisation at the Plant Surface. In: M. J. Bailey, A. K. Lilley et al. (Hrsg.): Microbial Ecology of Aerial Plant Surfaces. CAB International, Wallingford/Oxfordshire 2006, ISBN 978-1845930615, S. 21–36. Zuweilen wird stattdessen oder zusätzlich der Begriff PhylloplaneÁ Fonseca, J. Inácio: Phylloplane Yeasts. In: C. Rosa und G. Peter (Hrsg.): Biodiversity and Ecophysiology of Yeasts. Springer, Berlin/Heidelberg 2006, ISBN 978-3540261001, S. 263–302. verwendet, teils synonym zur Phyllosphäre, teils in strikter Beschränkung auf die eigentliche Blattfläche, während der Begriff „Phyllosphäre“ je nach Autor auch tieferliegende Bereiche wie den substomatären Hohlraum unterhalb der Spaltöffnungen bzw. den Apoplast mit einschließen kann.Nathanaël Delmotte, Claudia Knief et al.: Community proteogenomics reveals insights into the physiology of phyllosphere bacteria. Proceedings of the National Academy of Sciences 38, 2009, S. 16428–16433, online
Die Phyllosphäre ist in der Regel von zahlreichen Mikroorganismen besiedelt. Diese Organismen werden begrifflich häufig den „Epiphyten“ zugeordnet.Steven E. Lindow, Maria T. Brandl: Microbiology of the phyllosphere. Applied and Environmental Microbiology 69, 2003, S. 1875–1883, online Da dies jedoch allgemein „Aufsitzerpflanzen“ bezeichnet (und auch Gefäßpflanzen umfasst, während sich die Phyllosphärenforschung weitgehend auf die Mikroorganismen der unmittelbaren Blattoberflächen konzentriert), verwenden viele Autoren den für Phyllosphärenbesiedler spezifischeren Begriff „Epiphylle“, der auch im vorliegenden Artikel benutzt wird; die besonders im tropischen Bergregenwald vorhandenen epiphyllen Gefäßpflanzen werden in der Regel nicht zur Phyllosphäre gerechnet, da sie selbst raumgreifend sind und die Zone der unmittelbaren Blattoberfläche verlassen. Streng genommen sind Epiphylle jedoch nur diejenigen Organismen, die Blattoberseiten besiedeln, Bewohner von Blattunterseiten hingegen „Hypophylle“. Epi- und Hypophylle werden ihrerseits auch unter dem Oberbegriff „foliicol“ zusammengefasst, eine Bezeichnung, die sich besonders für die auch mit bloßem Auge sichtbaren Organismen wie Moose oder Flechten zumindest teilweise in der Fachliteratur durchgesetzt hat.Rainer Nowak, Sieghard Winkler: Foliicole Flechten der Sierra Nevada de Santa Marta (Kolumbien) und ihre gegenseitigen Beziehungen. Österreichische Botanische Zeitschrift 118, 1970, S. 456–485.Robert Lücking: Foliicolous lichenized fungi. Flora Neotropica Monograph 103. The New York Botanical Garden Press, New York 2008, ISBN 978-0-89327-491-7, 866 S.
Bedeutung Der Lebensraum (Habitat) Phyllosphäre bildet die größte biologische Oberfläche der Erde. Auf der Grundlage von Satellitendaten wird die terrestrische Gesamtblattfläche auf etwa 640 Millionen km²C. E. Morris, L. L. Kinkel: Fifty years of phyllosphere microbiology: Significant contributions to research in related fields. In: Steven E. Lindow, Eva I. Hecht-Poinar, Vern J. Elliot (Hrsg.): Phyllosphere microbiology. APS Press, St. Paul, Minn., 2002, ISBN 978-0-89054-286-6, S. 365–375. bis 1 Milliarde km² geschätzt, was etwa 125 % bis 200 % der gesamten Erdoberfläche entspricht. Die Phyllosphäre bietet somit einen ausgedehnten, zudem reich strukturierten Lebensraum. Als Besiedler herrschen Mikroorganismen vor, deren Betrachtung gemeinhin den Schwerpunkt der Phyllosphärenforschung darstellt. Dies sind insbesondere Bakterien (deren Individuenzahl bei weitem dominiert), gefolgt von Hefen, filamentösen (fadenförmigen) Pilzen und ggf. weiteren Organismengruppen: Pflanzenviren, Archaeen, Oomyceten, Myxomyceten, Grünalgen, Moosen, Flechten, Farnen, tierischen Einzellern und Wirbellosen.
Konservative Schätzungen gehen von einer Bakteriengesamtzahl in der Phyllosphäre von 1026 aus. Ein Pflanzenblatt trägt pro Quadratzentimeter typischerweise eine Million bis 10 Millionen Bakterien. Manche Pflanzengruppen, etwa Citrusarten oder Koniferen, sind hingegen mit teilweise weniger als 1.000 Zellen pro cm² deutlich schwächer besiedelt.
Die Phyllosphäre stellt aufgrund ihrer großen Fläche ein wichtiges Refugium und zugleich eine bedeutende Ressource für Mikroorganismen dar. Da diese organische Substanz aufnehmen und später in veränderter Form wieder freisetzen, ist – neben dem über das Blatt ohnehin stattfindenden Stoffaustausch mit der Umgebung – auch die Phyllosphäre in biogeochemische Stoffkreisläufe eingebunden. Die Anzahl der die Phyllosphäre bewohnenden Mikroorganismen ist hinreichend groß, um auch die globalen Kohlenstoff- und Stickstoffkreisläufe beeinflussen zu können.
Während die Erforschung der Rhizosphäre bereits auf eine längere Tradition zurückblicken kann, wird den Eigenschaften, der Biodiversität sowie den Interaktionen der Phyllosphärenbewohner mit der belebten und unbelebten Umgebung erst seit wenigen Jahrzehnten vermehrte Aufmerksamkeit zuteil. Anfangs richtete sich das Hauptinteresse der Phyllosphären-Mikrobiologie aus ökonomischen Gründen auf die Untersuchung von Krankheitserregern (Pathogenen) bei Pflanzen, um die Mechanismen ihrer Ansiedlung, Ausbreitung und Schadwirkungen zu verstehen und entsprechende Gegenmaßnahmen ergreifen zu können. Mittlerweile wurde auch die wichtige Rolle der zahlreichen neutral oder gar fördernd auf ihre Unterlage wirkenden Phyllosphärenorganismen erkannt. Der Bedeutung der Phyllosphärenforschung wird durch regelmäßige Fachveranstaltungen Rechnung getragen, darunter ein internationales Phyllosphärensymposium, das seit der ersten Veranstaltung dieser Art 1970 in Newcastle upon Tyne in einem 5-Jahres-Turnus stattfindet. Das 9th International Symposium on the Microbiology of Aerial Plant Surfaces wurde im August 2010 durch die Oregon State University ausgerichtet.
Untersuchungsmethoden
Grundlage für die Erforschung der mit bloßem Auge vielfach unsichtbaren Lebensgemeinschaften der Phyllosphäre ist die Entwicklung geeigneter Untersuchungsmethoden. Tiefergehende Einblicke in komplette Artenspektren werden inzwischen durch moderne Verfahren der Molekularbiologie ermöglicht.
Klassische Verfahren
Zu den klassischen Untersuchungsmethoden für Mikroorganismen der Phyllosphäre zählt das sogenannte „Leaf Printing“. Dabei wird ein Blatt vorsichtig auf ein Nährmedium, etwa eine Agarplatte, gedrückt und wieder abgezogen. Nach Inkubation werden dann die mittlerweile gewachsenen Bakterien- oder Pilz-Kolonien untersucht. Eine ähnliche Methode ist die Technik des „Leaf Washing“: Hierbei werden Blätter in einem Gefäß mit einer Flüssigkeit (zum Beispiel Salzlösung oder Phosphatpuffer) gespült und die von der Cuticula abgewaschenen Mikroorganismen dann weiterkultiviert, zum Beispiel durch Ausplattierung auf einem Nährmedium. Bei beiden Verfahren kommen anschließend Licht-, Fluoreszenz- bzw. Elektronenmikroskopie in Kombination mit mikrobiologischen bzw. biochemischen Methoden zum Einsatz, um die gewachsenen Organismen genauer analysieren zu können. So können die Kulturmedien bestimmte Nährstoffe oder hemmende Substanzen enthalten, mit denen sich verschiedene Organismengruppen unterscheiden lassen.
Zu beachten ist jedoch, dass nur ein Teil der epiphyllen Mikroorganismen unter Laborbedingungen kultivierbar ist oder Kolonien bildet. Daher kann mit den genannten Methoden nur ein Ausschnitt des tatsächlich vorhandenen Artenspektrums erfasst werden. Auch bilden sie nur die mikrobielle Population zu einem bestimmten Zeitpunkt ab; um die im Lauf der Blattentwicklung oft signifikanten Veränderungen erfassen zu können, bedarf es zahlreicher Blattanalysen über die gesamte Entwicklungszeit hinweg.Markus Riederer, Caroline Müller (Hrsg.): Biology of the plant cuticle. Blackwell Pub., Oxford 2006, ISBN 978-1405132688, S. 334–341.
Molekularbiologische Verfahren
Neben morphologischen oder physiologischen Untersuchungsmethoden sind mittlerweile auch Verfahren verfügbar, mit denen von Blättern abgewaschene Proben auf das gesamte Erbgut (Genom, in diesem Fall das Metagenom) der gewonnenen Organismen hin untersucht werden können. Häufig wird hierbei die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) angewandt, mit der Erbsubstanz vervielfältigt wird, um sie dann mittels Gelelektrophorese aufzutrennen und auf bestimmte Marker hin zu untersuchen. Solche Marker bilden insbesondere die für Teile von Ribosomen codierenden Gene (16S rRNA bei Prokaryoten wie Bakterien, 18S rRNA bei Eukaryoten wie Pilzen). Vergleichbare Verfahren werden neuerdings auch im Hinblick auf die Gesamtheit der Proteine (Metaproteom) unter Verwendung massenspektrometrischer Methoden eingesetzt.
Andere Untersuchungsmethoden des Lebensraums Phyllosphäre beruhen auf der Inokulation von Blattoberflächen im Labor oder Freiland mit Suspensionen, die definierte Bakterien oder Pilzsporen enthalten (einzelne Arten bzw. Stämme oder auch Gemische). Forschungsgegenstand ist dann insbesondere deren Wachstumserfolg unter verschiedenen Umweltbedingungen und Wechselwirkungen mit bereits vorhandenen Besiedlern. Dabei kommen vielfach gentechnisch veränderte Bakterien als sogenannte Bioreporter oder Biosensoren zum Einsatz. Diese besitzen spezielle Reportergene, häufig ein Fluoreszenzgen (zum Beispiel das aus der Leuchtqualle Aequorea victoria stammende GFP-Gen), dessen Aktivität sich leicht nachweisen lässt. Mit Hilfe solcher Bioreporter lassen sich beispielsweise Anwesenheit und Verteilung bestimmter Substanzen auf Blättern, etwa Nährstoffe wie verschiedene Zucker, Spurenelemente oder auch Wasser, erkennen.
Habitat