Forscher entdecken Bakterien, die Pilze abtöten können, die ertragsmindernde Krankheiten bei Zuckerrohr verursachen

Eine am Brasilianischen Zentrum für Energie- und Materialforschung (CNPEM) durchgeführte Studie hat herausgefunden, dass drei Pseudomonas-Bakterienstämme das Wachstum des Pilzes hemmen und sogar zum Tod führen können, der für die Ananasfäule verantwortlich ist, eine Krankheit, die insbesondere Zuckerrohr befällt in der Pflanzzeit.

Die Ergebnisse werden in einem Artikel berichtet, der in veröffentlicht wurde Umweltmikrobiologieeine Zeitschrift der Gesellschaft für angewandte Mikrobiologie des Vereinigten Königreichs, und könnte als Grundlage für die Entwicklung biologischer Fungizide als Alternative zu den derzeit zur Bekämpfung der Krankheit verwendeten chemischen Pestiziden dienen.

Es wurde festgestellt, dass die drei Pseudomonas-Stämme in vitro bis zu 80 % des Myzelwachstums von Thielaviopsis ethacetica hemmen, einem Pilz, der im Boden lebt und durch Schnitte oder Wunden in Zuckerrohrstängel eindringt. Die Krankheit kann die Knospung und damit den Ertrag um bis zu 50 % reduzieren. Mycelien sind eine Masse verzweigter röhrenförmiger Filamente (Hyphen), die einem Wurzelsystem ähneln, durch das Pilze Nährstoffe aus der Umgebung aufnehmen.

Die Bakterien produzierten 62 flüchtige organische Verbindungen (VOCs), die Gene herunterregulierten, die mit dem Kohlenhydratstoffwechsel zusammenhängen, der für das Pilzwachstum wesentlich ist. VOCs sind wichtige Stoffwechselprodukte von Bakterien und können flüssig oder gasförmig sein und bei Raumtemperatur leicht verdampfen. Zu ihren Vorteilen gehört die Fähigkeit, lange Strecken zurückzulegen, wenn sie auf Feldfrüchte angewendet werden.

„Wir haben zum ersten Mal gesehen, dass das Molekül direkt oder indirekt auf die DNA des Krankheitserregers einwirkt und den Pilz schädigt. Es ist eine Verbindung, die die Pilz-DNA stört. Diese Art von Molekül wird in Brasilien nicht viel untersucht. Unser Ziel ist es Stärken Sie diese Forschungslinie und werden Sie zu einer führenden Wissensquelle über solche Moleküle in unserem Land“, sagte Juliana Velasco de Castro Oliveira, letzte Autorin des Artikels, gegenüber Agência FAPESP. Sie ist Forscherin am Brazilian Biorenewables National Laboratory (LNBR) des CNPEM.

Durch Transkriptomanalyse der Pilzantwort auf VOCs, bei der sie die Expression neuer oder bereits bekannter Gene identifizierten und quantifizierten, sowie durch elektronenmikroskopische Untersuchungen entdeckten die Wissenschaftler Veränderungen in der Expression wichtiger Gene und kritische morphologische Veränderungen der behandelten Myzelien mit VOCs, was beweist, dass sie das Pilzwachstum hemmen und sogar zum Zelltod führen können.

„Wir konnten Bakterienstämme finden, die diesen Pilz, der großen Schaden auf Zuckerrohrplantagen verursacht, effizient bekämpft haben“, sagte Oliveira. „Wir haben auch Moleküle identifiziert, von denen nicht beschrieben wurde, dass sie den Pilz töten können, und wir haben bewiesen, dass sie seine DNA schädigen, eine Eigenschaft, die in der Literatur kaum dokumentiert ist.“

Ananas-Settfäule ist eine Krankheit, die mehrere tropische Nutzpflanzen betrifft, aber in Brasilien einen erheblichen Einfluss auf die Zuckerrohrerträge hat. Der Pilz verhindert, dass Stecklinge (oder Setts, Rohrsegmente, die sprießen, um neue Stängel zu bilden) vollständig keimen oder sich entwickeln, wodurch Teile einer Plantage zerstört werden. Während sich der Pilz in der Pflanze vermehrt, werden die Stammfasern rot, verdunkeln sich allmählich und werden mit Sporen bedeckt. Die durch den Erreger ausgelöste Fermentation setzt einen ananasartigen Geruch frei.

Die Inzidenz der Krankheit hat in den letzten Jahren zugenommen und gehört jetzt zu den häufigsten in Zuckerrohrfeldern. Brasilien ist der weltweit führende Zuckerrohranbauer. Im Erntejahr 2020-21 wurden 654,5 Millionen Tonnen geerntet, aus denen 41,2 Millionen Tonnen Zucker und 29,7 Milliarden Liter Ethanol produziert wurden.

Anbautechniken wie die Auswahl der Sämlinge und eine gute Bodenbearbeitung können helfen, Ananas-Setzfäule zu verhindern, aber zur Bekämpfung von Infektionen sind Agrochemikalien erforderlich, und diese können für die Umwelt und die menschliche Gesundheit gefährlich sein, wenn sie nicht mit Sorgfalt angewendet werden.

„Brasilien ist ein landwirtschaftliches Kraftwerk“, sagte Oliveira. „Wir wissen, dass chemische Pestizide noch nicht vollständig durch biologische Alternativen ersetzt werden können, aber mit mehr Forschung wie unserer könnte das Angebot an diesen auf dem Markt steigen, zu nachhaltigen Alternativen werden und dazu beitragen, Brasiliens Abhängigkeit von Importen zu verringern.“

Nach Angaben des Wirtschaftsministeriums importiert Brasilien jedes Jahr mehr als 330.000 Tonnen Insektizide, Herbizide und Fungizide. Darüber hinaus wurden zwischen 2019 und 2021 mindestens 1.500 neue Pestizide zur Verwendung durch Erzeuger zugelassen.

Neue Technologien

Die Forscher begannen mit einem Screening der etwa 7.000 Bakterien aus verschiedenen Bodenarten und Wurzeln in der Mikroorganismensammlung des LNBR. Sie wählten 70 Bakterien aus, die zu mehreren Gattungen gehören und aus verschiedenen Teilen Brasiliens stammen, wie den Bundesstaaten Tocantins, Mato Grosso und São Paulo. Diese Probe wurde In-vitro-Versuchen unterzogen, um die Fähigkeit der Bakterien zu bewerten, das Wachstum des Pilzes zu hemmen. Die drei Pseudomonas-Stämme, die in dieser Hinsicht als am wirksamsten identifiziert wurden, wurden durch genetische Sequenzierung bestätigt.

Sie haben nun eine neue Phase mit dem Ziel begonnen, die Arten zu entdecken, zu denen die Stämme gehören. „Wir wissen, dass sie unterschiedlich sind, aber wir sind uns noch nicht sicher, ob wir die Arten identifizieren können“, sagte Oliveira. „Um zu einer Definition zu gelangen, müssen wir eine Gesamtgenomsequenzierung dieser Bakterien durchführen. Tatsächlich haben wir bereits festgestellt, dass eines von einer Spezies stammen muss, die noch beschrieben werden muss. Wir werden versuchen, es in Kürze zu beschreiben Partnerschaft mit UNICAMP [the University of Campinas in São Paulo].“

An der Forschungsgruppe sind Wissenschaftler des UNICAMP-Programms für Graduiertenstudien in Genetik und Molekularbiologie und der Federal University of Lavras (UFLA) im Bundesstaat Minas Gerais beteiligt. „Es ist heutzutage unmöglich, alleine zu forschen, besonders wenn man ein neues Gebiet erkundet. Zusammenarbeit ist wichtig, um verschiedene Arten von Fachwissen zu kombinieren“, erklärte sie.

Im Brasilianischen Synchrotronlichtlabor (LNLS) von CNPEM, das Sirius, Brasiliens Teilchenbeschleuniger der vierten Generation, betreibt, bestätigte eine spektroskopische Analyse die Fähigkeit der Biomoleküle, die Pilz-DNA zu schädigen. Infrarotlicht und andere hochempfindliche Techniken wurden verwendet, um diese Eigenschaft der Biomoleküle aufzudecken.

Darüber hinaus wurden schwere morphologische Veränderungen der Mycelien mittels Transmissions- und Rastermikroskopie am brasilianischen Nationallabor für Nanotechnologie (LNNano) von CNPEM hervorgehoben.