Forscher sagen einen durch den Klimawandel bedingten Rückgang nützlicher Pflanzenmikroben voraus

Es wird angenommen, dass Bakterien, die Pflanzen zugute kommen, einen entscheidenden Beitrag zu Nutzpflanzen und anderen Ökosystemen leisten, doch der Klimawandel könnte ihre Zahl verringern, so eine neue Studie eines internationalen Forscherteams. Sie haben veröffentlicht ihre Erkenntnisse in Naturnahrung.

Die Zusammenarbeit, an der Francisco Dini-Andreote, Professor für Pflanzenwissenschaften an der Penn State, beteiligt war, charakterisierte die Häufigkeit und Verteilung pflanzenförderlicher Bakterien (PBB) aus Böden, die auf der ganzen Welt gesammelt wurden. Anschließend modellierten die Forscher, wie sich der von fossilen Brennstoffen abhängige Klimawandel im nächsten Jahrhundert auf diese mikrobiellen Gemeinschaften auswirken könnte.

Nutzung vorhandener Daten aus dem Erdmikrobiom-Projekt, identifizierten die Forscher Mikroben, die Pflanzen Dienste wie Biokontrolle oder die Begrenzung der Auswirkungen von Krankheitserregern, Pflanzenwachstumsförderung und Stressresistenz leisten können. Solche Dienstleistungen implizieren, dass diese Bakterien Schlüsselkomponenten produktiver Agrarökosysteme sind, die in erster Linie Nahrungsmittel liefern.

„Pflanzen werden von einer Vielzahl von Mikroben auf und in ihren Wurzeln, Blättern und Stängeln besiedelt“, sagte Dini-Andreote. „Diese pflanzenassoziierten Mikrobiome stellen eine Erweiterung der pflanzlichen Stoffwechselkapazität dar – oft als ‚das zweite Genom der Pflanzen‘ bezeichnet.“

Diese Vorstellung spiegelt das Hologenom-Konzept wider, das die Gesamtheit der in einem Organismus enthaltenen Gene und das damit verbundene Mikrobiom berücksichtigt, um Rückschlüsse auf die Gesundheit und Entwicklung des Organismus zu ziehen. Den Forschern zufolge schafft die Charakterisierung der Biogeographie von PBB die Grundlage für das Verständnis der Variablen, die die Muster globaler mikrobieller Gemeinschaften bestimmen, und für die Vorhersage ihrer Zukunft in einer sich schnell verändernden Welt.

Ihre Analyse ergab mehrere Trends in der PBB-Diversität, darunter ein höheres Maß an Diversität und Reichtum in niedrigeren Breiten, mit der höchsten Konzentration in Nordamerika und Afrika. Insgesamt wurden 396 Gattungen identifiziert, deren taxonomischer Rang über der Artenebene liegt.

Die Forscher fanden heraus, dass lokale Umweltvariablen – insbesondere das Klima – starke Prädiktoren für die Zusammensetzung der PBB-Gemeinschaft waren und wahrscheinlich einen starken Einfluss auf die PBB-Verteilung hatten. Dies deutet darauf hin, dass das Klima einen Einfluss darauf hat, welche Bakterien wo und in welchem ​​Verhältnis vorkommen.

Um zu untersuchen, wie sich die PBB-Häufigkeiten und -Verteilungen im Laufe des nächsten Jahrhunderts ändern könnten, modellierten die Forscher mehrere Klimaszenarien auf der Grundlage von Prognosen des Zwischenstaatlicher Ausschuss für Klimaänderungen.

Im Szenario einer Entwicklung mit fossilen Brennstoffen, das von einer Verdreifachung der Treibhausgasemissionen bis 2075 ausgeht, prognostizierte das Modell, dass der mit Biokontrolle und Stressresistenz verbundene PBB in 80 % der Weltregionen um 0,60 % zurückgehen würde, im Gegensatz zu 0,07 % im Nachhaltigkeitsszenario. In allen Szenarien wird für Regionen mittlerer Breite ein stetiger Rückgang des PBB prognostiziert, während in Polar- und Äquatorregionen mit einem Anstieg des PBB zu rechnen ist.

Dini-Andreote wies darauf hin, dass prädiktive Studien wie diese im Großen und Ganzen aussagekräftig seien, warnte jedoch davor, dass die Modelle begrenzt seien und experimentell validiert werden müssten. In kontrollierten Umgebungen können beispielsweise Pflanzen-Boden-Systeme Erwärmungs- oder Dürrebedingungen ausgesetzt sein, woraufhin Forscher Verschiebungen basierend auf den Auswirkungen und der Anpassung von PBB-Gemeinschaften im Vergleich zu Kontrollen bewerten können.

Mit anderen Worten: Es sind Experimente erforderlich, um herauszufinden, wie PBB unter klimabedingtem Stress beeinflusst wird und welches Ausmaß des PBB-Rückgangs einen entscheidenden Einfluss auf die Pflanzengesundheit hat.

Zusätzlich zur Information über die gemeinschaftliche Ökologieforschung hofften die Forscher, landwirtschaftliche Innovationen und Anwendungen für eine erhöhte Ernährungssicherheit anzustoßen. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass diese Innovationen Bodenprobiotika zur Wiederherstellung des verringerten PBB umfassen.

Dini-Andreote sagte, dass solche Bioimpfstoffe oft mehrere Mängel aufweisen können, beispielsweise dass sie eine kontinuierliche Anwendung erfordern. Darüber hinaus kann nur ein kleiner Teil, etwa 5 bis 10 %, der Bodenmikroben kultiviert werden, was die Entwicklung von Vollspektrum-Probiotika einschränkt.

Dini-Andreote bot eine Alternative.

„Indem wir unser Verständnis darüber erweitern, wie diese unterschiedlichen PBB in Verbindung mit Pflanzen überleben, beispielsweise in der Rhizosphäre der Pflanzen, können wir Strategien entwickeln, um Nutzpflanzen so zu manipulieren, dass sie Verbindungen produzieren, die diese nützlichen Mikroben ernähren“, sagte Dini-Andreote.

Durch diesen Ansatz, so schlugen die Forscher vor, könnten Pflanzen nützliche Bakterien rekrutieren, ohne dass eine externe Zufuhr von Probiotika erforderlich wäre. Die potenziellen Auswirkungen solcher Anwendungen seien unbekannt, sagte Dini-Andreote, unterstreichen aber die Bedeutung der Erforschung der sich schnell weiterentwickelnden Grenzen des Mikrobioms.

„Wir hoffen, dass dieses Papier als Katalysator für weitere empirische Studien zu PBBs dient“, sagte Dini-Andreote.

Seth Bordenstein, Direktor des One Health Microbiome Center und Professor für Biologie und Entomologie, der den Dorothy Foehr Huck und J. Lloyd Huck Stiftungslehrstuhl für Mikrobiomwissenschaften innehat, schloss sich dieser Meinung an und lobte die Arbeit.

„Diese hochkarätige Forschung ist ein Beweis für Dr. Dini-Andreotes wirkungsvolle und originelle Forschung zu Pflanzen-Mikroben-Interaktionen im One-Health-Kontext, die sich über die Gesundheit von Böden, Pflanzen und Menschen erstreckt“, sagte Bordenstein. „Seine Vision für pflanzliche Hologenomstudien und die Integration mit globalen Umwelt- und geografischen Daten fördert nicht nur das Wissen auf Lehrbuchniveau, sondern schlägt auch Alarm bei evidenzbasierten Nachhaltigkeitsherausforderungen.“