Eine Studie veröffentlicht in Das ISME-Journal identifizierten 522 Genome von Archaeen und Bakterien, die mit den Wurzeln und dem Boden von zwei Pflanzenarten in Zusammenhang stehen, die in der brasilianischen Ökoregion der Bergsavanne heimisch sind und als Campos Rupestres („felsige Wiesen“) bekannt sind. Hunderte von Mikroorganismen, die der Wissenschaft bisher unbekannt waren, wurden identifiziert, was zeigt, dass die Ökoregion ein Biodiversitäts-Hotspot ist und dass viele neue Organismen in Brasilien noch beschrieben und klassifiziert werden müssen.
Die Entdeckung könnte möglicherweise eine Grundlage für die Entwicklung biologischer Ersatzstoffe für die von Landwirten verwendeten chemischen Düngemittel sein, insbesondere für solche, die Phosphor enthalten.
„Phosphor ist normalerweise im Boden vorhanden, aber nicht immer in einer Form, die Pflanzen nutzen können. Die meisten Mikroorganismen, die wir gefunden haben, machen Phosphor löslich, damit Pflanzen ihn aufnehmen können“, sagte Antônio Camargo, Erstautor des Artikels.
Die Studie wurde unter der Ägide des Genomics for Climate Change Research Center (GCCRC) in Partnerschaft mit der Brazilian Agricultural Research Corporation (EMBRAPA) am UNICAMP durchgeführt.
Eine der Pflanzen, Vellozia epidendroides, lebt in flachem Boden, während eine andere, Barbacenia macranta, auf freiliegenden Felsen wuchs. Beide gehören zur Familie Velloziacea. Die Exemplare wurden in einem privaten Gebiet neben dem Nationalpark Serra do Cipó im Bundesstaat Minas Gerais gesammelt.
Ein Vergleich von Mikroorganismen, die mit Pflanzen assoziiert sind, die im Boden und auf Steinen wachsen, zeigte, dass sie verschiedene Gemeinschaften umfassten, aber viele Arten gemeinsam hatten. Mehrere Mikroorganismen waren hochspezialisiert auf den Phosphortransport und die Umwandlung in die lösliche Form des Minerals, die Pflanzen aufnehmen können.
„Mikrobielle Gemeinschaften spielen auch eine wichtige Rolle bei der Versorgung mit Stickstoff, einem weiteren essentiellen Pflanzennährstoff“, sagte Camargo, derzeit Forscher am Joint Genome Institute des US-Energieministeriums, wo die Genome sequenziert wurden.
Neuartige Lösungen
„Bisherige Forschungen konzentrierten sich auf die Mechanismen der Pflanzen zur Anpassung an die rauen Bedingungen dieser Bergsavanne und ignorierten oft Mikroorganismen. Unsere Studie zeigt, dass Mikroorganismen eine Schlüsselrolle bei der Anpassung von Pflanzen an die extremen Bedingungen dieser Umgebung spielen können Phosphor brauchen, um das Pflanzenwachstum anzutreiben“, sagte Rafael Soares Correa de Souza, einer der korrespondierenden Autoren des Artikels.
Die Forscher erwarten, dass ihre Entdeckungen zur Schaffung von Produkten beitragen, die chemische Düngemittel auf der Basis von Phosphor ersetzen, einem der von brasilianischen Landwirten am häufigsten verwendeten Pflanzennährstoffe. Mehr als die Hälfte des in Brasilien verwendeten Phosphatdüngers wird importiert, hauptsächlich aus Marokko, aber auch aus Russland, Ägypten, China und den Vereinigten Staaten.
Neben der Abhängigkeit von Importen verschmutzt Phosphatdünger Gewässer, und seine Produktion ist eine Quelle von Treibhausgasemissionen, die auf 1 kg pro kg produziertem Dünger geschätzt werden. Darüber hinaus ist Phosphor eine nicht erneuerbare natürliche Ressource und daher endlich.
Biologische Düngemittel werden in Brasilien bereits eingesetzt. Bei Sojabohnen sind sie auf 80 % der Anbaufläche die Hauptstickstoffquelle. Eine frühere Studie des GCCRC schätzte, dass durch den Einsatz von biologischen Impfmitteln anstelle von Stickstoffdünger jährlich 10 Mrd. USD eingespart werden könnten.
„Die Studie unterstreicht auch die Notwendigkeit der Erhaltung der brasilianischen Ökosysteme, die viele andere naturbasierte Lösungen wie diese liefern können“, sagte Souza, Mitbegründer des Biotech-Startups Symbionics, das Biologika der nächsten Generation entwickelt.
Wie bereits erwähnt, sind Campos rupestres Biodiversitäts-Hotspots mit vielen exklusiven Arten. Sie bilden Mosaike mit einer Gesamtfläche von etwa 26.500 Quadratkilometern, die über Brasilien in Biomen wie dem Cerrado (Savanne), Caatinga (halbtrockene Gebiete im Nordosten) und dem Atlantischen Regenwald verstreut sind. Die Hauptbedrohungen für diese Ökosysteme sind Bergbau und Viehzucht.
Die Forscher führen jetzt Studien durch, um die Vorteile einiger Mikroorganismen zu testen, die in Ackerland vorkommen. Am GCCRC in Campinas laufen Experimente.
Mehr Informationen:
Antonio P. Camargo et al., Pflanzenmikrobiome haben das Potenzial, den Nährstoffumsatz in verarmten Substraten eines brasilianischen Biodiversitäts-Hotspots zu fördern, Das ISME-Journal (2022). DOI: 10.1038/s41396-022-01345-1