Kulturpflanzen mit mikrobiellen Partnern zusammenführen - höherer Krankheits-Widerstand
Die Wiederzusammenführung von Kulturpflanzen mit den Mikroorganismen, mit denen ihre Vorfahren in freier Natur leben, ist ein vielversprechender Weg, um Nutzpflanzen widerstandsfähiger gegen Krankheitserreger zu machen, berichtet die Universität Utrecht.
Der Doktorand Dario Ramirez Villacis sammelte Bodenproben und Mikroorganismen in den Anden in Ecuador, dem Ursprungsgebiet der wilden Kartoffelpflanzen. Er zeigte, dass kultivierte Kartoffelpflanzen, die in Boden mit wiederhergestellten mikrobiellen Gemeinschaften wachsen, weniger Symptome entwickeln, wenn sie mit der Kartoffelfäule (Phytophthora infestans) infiziert werden.
Hoch in den Anden leben die Vorfahren der Kartoffelpflanzen, die heute auf niederländischem Boden wachsen. Doch diese wilden Kartoffelpflanzen unterscheiden sich erheblich von denen, die wir kennen. „Die Knollen der wilden Kartoffelpflanzen sind klein und schmecken bitter“, sagt Ramirez Villacis. „Über Jahrhunderte hinweg haben wir die Pflanzen domestiziert und dabei auf große und schmackhafte Knollen selektiert.“ Dieser Prozess habe nicht nur die Pflanze selbst verändert. In freier Wildbahn leben Pflanzen in Gemeinschaften. Nicht nur mit anderen Pflanzen und Tieren, sondern auch mit einer ganzen Reihe von Mikroorganismen wie Bakterien und Pilzen. Einige dieser Mikroben haben kaum Auswirkungen auf die Pflanzen, andere hingegen können für die Pflanzen vorteilhaft oder schädlich sein.
„Die Chemikalien, die den Knollen einen bitteren Geschmack verleihen, sind eigentlich antimikrobielle Substanzen“, erklärt Ramirez Villacis. „Sie verleihen der Pflanze die Fähigkeit, die Mikroben in ihrer Umgebung zu kontrollieren. Indem wir gegen die Bitterkeit selektierten, haben wir der Pflanze die Fähigkeit genommen, ihre Umgebung zu kontrollieren.“ Hinzu komme, dass Nutzpflanzen in Umgebungen angebaut werden, die vom Menschen stark verändert wurden. „Wir bearbeiten den Boden, fügen Dünger hinzu und setzen Pflanzenschutzmittel ein. All diese Eingriffe zerstören das Mikrobiom, also die Gesamtheit der Mikroorganismen, im Boden“, sagt Ramirez Villacis. „Nicht alle Pflanzen gedeihen unter solchen Bedingungen. Die Menschen haben nach widerstandsfähigen Pflanzen gesucht, die dabei andere Fähigkeiten verloren haben.“
Um Einblicke zu gewinnen, wie sich die Landwirtschaft auf das Bodenmikrobiom auswirkte, beschloss Ramirez Villacis, zum Ursprungsgebiet der Kartoffelpflanzen zurückzukehren. „Ich suchte nach Orten, an denen ein Naturstandort und ein landwirtschaftlicher Standort direkt nebeneinander liegen. Wir fuhren eine 700 km lange Trasse ab und konnten 14 geeignete Standorte finden. An jedem Standort sammelten wir Bodenproben sowohl vom natürlichen als auch vom landwirtschaftlichen Standort. Insgesamt kamen so etwa zwei Tonnen Boden zusammen.“
Anschließend züchtete er Kartoffelpflanzen in Töpfen, die entweder mit Naturboden oder mit landwirtschaftlichem Boden gefüllt waren, und zwar unter denselben Bedingungen im selben Gewächshaus. Um mögliche Unterschiede in der Widerstandsfähigkeit gegen Krankheitserreger zu untersuchen, infizierte er die Pflanzen mit der Kartoffelfäule (Phytophthora infestans). „Wir stellten fest, dass die Pflanzen, die im Naturboden wuchsen, im Vergleich zu denen im landwirtschaftlichen Boden weniger Symptome wie Flecken und Läsionen aufwiesen.“
Als die Naturböden mit Hitze behandelt wurden, um die Anzahl der Mikroben zu reduzieren, ging die schützende Wirkung der Naturböden verloren. Auch das Einmischen von Naturboden in landwirtschaftlichen Boden machte die Pflanzen widerstandsfähiger gegen den Erreger. All diese Ergebnisse stützen die Annahme, dass die positive Wirkung des Naturbodens durch die darin lebenden Mikroben verursacht wurde.
Um Einblicke zu gewinnen, wie sich die Zusammensetzung des Mikrobioms zwischen landwirtschaftlichen und natürlichen Böden unterscheidet, analysierte Ramirez Villacis die mikrobielle DNA, die im Boden der verschiedenen Standorte gefunden wurde. „An diesen 14 sehr vielfältigen und unterschiedlichen Standorten identifizierten wir rund 150 Mikroben, die in den natürlichen Böden vorhanden waren, in den landwirtschaftlichen Böden jedoch durchweg reduziert waren. Von diesen 150 identifizierten wir 50, die wahrscheinlich eine schützende Wirkung gegen Krankheitserreger haben. Von den 50 identifizierten wir 14, die im Labor kultiviert werden können.“
Ramirez Villacis wies anschließend nach, dass die Zugabe dieser 14 Mikroben in landwirtschaftlichen Böden auch die Widerstandsfähigkeit von Kartoffelpflanzen gegen eine Infektion mit der Kartoffelfäule stärkt. „Wir haben festgestellt, dass die Zugabe allein dieser Untergruppe verlorener Mikroben zu einer Erhöhung der Widerstandsfähigkeit um etwa 70 % des in natürlichen Böden beobachteten Effekts führt“, sagt Ramirez Villacis.
Könnte also die einfache Zugabe dieser Mikroben zu Ackerland die Widerstandsfähigkeit von Kartoffelpflanzen gegenüber Krankheiten erhöhen? „Wir möchten Feldversuche durchführen, um dies zu testen“, sagt Ramirez Villacis. „Was jedoch die praktische Anwendung angeht, wird es kompliziert: Es ist sehr schwierig, ein landwirtschaftliches Produkt mit mehr als zwei Mikroben zuzulassen, da die Aufsichtsbehörden detaillierte Informationen darüber verlangen, wie jedes Mikroorganismus mit den anderen interagiert. Und bei 14 Mikroben gibt es eine sehr hohe Anzahl an Wechselwirkungen.“
Doch Ramirez Villacis und seine Kollegen haben einen Plan. „Indem wir die gesamte DNA dieser Mikroben entschlüsseln, was uns Aufschluss über ihre Gene gibt, wollen wir Erkenntnisse darüber gewinnen, was diese Mikroben im Boden genau bewirken. Dies wird uns hoffentlich helfen, die Auswahl auf nur zwei oder drei Mikroben einzugrenzen, die zusammen dasselbe bewirken wie diese Mikrobenkollektion.“
Das Verständnis der fehlenden Funktionen dieser Mikroben eröffne auch andere Strategien zur Stärkung der Pflanzenresistenz. „Wir könnten den Boden mit Präbiotika anreichern, also mit Verbindungen, die das Wachstum nützlicher Mikroben im Boden fördern“, erklärt Ramirez Villacis. „Außerdem müssen wir verstehen, wie die Pflanzen selbst diese Funktionen anregen und aktivieren. Domestizierte Nutzpflanzen setzen nur sehr wenige chemische Stoffe im Boden frei, was ihre Fähigkeit beeinträchtigt, ein gesundes Mikrobiom anzuziehen und zu erhalten. Wenn wir herausfinden, welche chemischen Stoffe von den domestizierten Pflanzen nicht mehr freigesetzt werden, können wir versuchen, diese wieder in die Pflanzen einzuzüchten. Dadurch werden sie in die Lage versetzt, die Kontrolle über ihre eigene Umgebung zurückzugewinnen.“
