Es wird erwartet, dass sich die zukünftige Nahrungsmittelknappheit in vielen Teilen der Welt verschärfen wird. Vor diesem Hintergrund werden nachhaltige biologische Techniken erforscht, die den Ertrag von Getreide und anderen Nahrungspflanzen steigern könnten und die im Gegensatz zum Einsatz chemischer Pflanzenschutzmittel umweltverträglich sind. Das Bakterium Photorhabdus luminescens wird bereits als Bioinsektizid zum Schutz von Nutzpflanzen gegen eine Vielzahl von Schadinsekten eingesetzt. Forscher der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) in Deutschland haben kürzlich gezeigt, dass P. luminescens Pflanzen auch vor Pilzinfektionen schützen kann.
Für diesen zusätzlichen Effekt ist eine sekundäre Zellform des Bakteriums verantwortlich. Diese Variante besiedelt zuerst das Pilzmyzel und zerstört es dann, indem sie Chitin, einen Hauptbestandteil der Zellwand von Pilzen, abbaut. Die Ergebnisse dieser Forschung könnten in Zukunft insbesondere für die Getreideproduktion von großer Bedeutung sein. „Wir sehen darin eine große Chance, die Landwirtschaft mit Hilfe dieser Bakterien umweltfreundlicher und nachhaltiger zu gestalten“, sagt Professor Ralf Heermann von der JGU.
Biologische Methoden können zu höheren Ernteerträgen führen
Wie andere Pflanzen sind Nutzpflanzen anfällig für Umweltbelastungen, Krankheiten und Schädlingsbefall. Dies wirkt sich auf die Ernteerträge und die Lebensmittelproduktion aus und gibt angesichts der wachsenden Weltbevölkerung Anlass zur Sorge um die Ernährungssicherheit. Die größten landwirtschaftlichen Verluste sind auf Unkrautinvasion, tierische Schädlinge sowie Pflanzenkrankheiten durch Bakterien, Pilze und Viren zurückzuführen. Früher war es der intensive Einsatz chemischer Pflanzenschutzmittel, der für höhere Erträge sorgte und damit die Nahrungsversorgung verbesserte. Dies wurde jedoch mit Umweltschäden, dem Risiko einer tödlichen Toxizität für Menschen und Nichtzielorganismen wie Bestäuberinsekten und nicht zuletzt mit der unerwünschten Veränderung der Zusammensetzung des Bodenmikrobioms erkauft.
Ein alternativer Ansatz ist die Verwendung von biologischen Mitteln wie Rhizobakterien, die das Pflanzenwachstum fördern, und Nematoden, die Schadinsekten angreifen. Dies sind zwei Beispiele für neue und nachhaltige landwirtschaftliche Techniken zur Bekämpfung von Pflanzenschädlingen.
Primärzellen von Photorhabdus luminescens töten Insekten und bringen sie zum Leuchten
Zu diesen nachhaltigeren Ansätzen gehört die Verwendung von Photorhabdus luminescens als nützlicher Organismus, der Insektenlarven zerstört. Dieses Bakterium lebt in Symbiose mit kleinen Nematoden, die in die Insektenlarven eindringen und anschließend das darin enthaltene Bakterium freisetzen. Dieser scheidet dann zahlreiche Toxine aus, die zum Absterben der Insektenlarven führen, und produziert gleichzeitig ein biolumineszierendes Enzym namens Luciferase, das die toten Larven zum Leuchten bringt.
Vor etwa zwei Jahren entdeckte die Forschungsgruppe von Professor Ralf Heermann, dass es eine weitere Phänotypzelle von P. luminescens gibt, die zwar keine Symbiose mit Nematoden eingehen kann, aber in der Lage ist, alleine im Boden zu überleben. Dieser sekundäre Zelltyp ist genetisch identisch mit der primären Form, ihm fehlen jedoch bestimmte phänotypische Eigenschaften wie Biolumineszenz. Nach den neuen Erkenntnissen der Gruppe sind diese Sekundärzellen jedoch außerordentlich wirksam gegen Pilzinfektionen.
Am Beispiel von Fleischtomatenpflanzen zeigte Heermanns Mikrobiologenteam, dass der Befall durch den pflanzenpathogenen Pilz Fusarium graminearum durch die Bakterien verhindert werden kann, indem sie die Pilzhyphen besiedeln und dort das Chitin abbauen. Den Wissenschaftlern gelang es auch, den dafür verantwortlichen molekularen Mechanismus zu identifizieren, an dem ein Enzym namens Chitinase und ein Chitin-bindendes Protein beteiligt sind. Dadurch können die Bakterien die Struktur eines Pilzes, insbesondere seine Zellwand, auflösen und das Pilzwachstum wirksam hemmen.
Neue potenzielle Anwendung zur Förderung des Pflanzenwachstums und zum Schutz vor Pilzbefall
„Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass der sekundäre Zelltyp des Bakteriums vor allem die Pilzhyphen besiedelt. Das setzt einen der ersten Mechanismen in Gang, der Pflanzen vor Krankheitserregern schützt“, erklärt Dr. Nazzareno Dominelli, Mitarbeiter in Heermanns Team und der Hauptautor des kürzlich veröffentlichten Papiers. „Dank unserer Ergebnisse können wir nun eine neue Verwendung für P. luminescens vorschlagen – als Organismus, der sowohl das Pflanzenwachstum fördert als auch Pflanzen vor Pilzinfektionen schützt.“
Das vielversprechende Potenzial von P. luminescens für den biologischen Pflanzenschutz will das Forschungsteam weiter untersuchen. Erste Hinweise deuten darauf hin, dass der sekundäre, nicht leuchtende Zelltyp, der aktiv die Wurzeln von Pflanzen aufspürt, einen zusätzlichen biotechnologischen Nutzen für die Landwirtschaft bieten könnte.
Die Studie wurde veröffentlicht in Angewandte und Umweltmikrobiologie.
Nazzareno Dominelli et al, The Insect Pathogen Photorhabdus luminescens Protects Plants from phytopathogenic Fusarium graminearum via Chitin Degradation, Angewandte und Umweltmikrobiologie (2022). DOI: 10.1128/aem.00645-22