Pflanzenschutz der Zukunft kann aus der Pflanze selbst kommen

Menschen und Tiere haben alle chemische und mikrobielle Signaturen, die ihr Wohlbefinden auf die eine oder andere Weise beeinflussen. In der Medizin steht der Einsatz von Probiotika anstelle von Antibiotika ganz oben auf der Tagesordnung. Menschen und Tiere sind jedoch nicht die einzigen, die eine enge Beziehung zu ihrer Mikroflora haben. Auch Pflanzen zeigen ähnliche Beziehungen zu ihrer Umgebung. Genau wie beim Menschen spielen Mikroben eine wichtige Rolle für die Pflanzengesundheit und die Resistenz gegen Pflanzenkrankheiten.

An der Universität Aarhus in Flakkebjerg, Dänemark, untersuchen Forscher Pflanzen, Pflanzengesundheit und Pflanzenkrankheiten, die durch mikrobielle Krankheitserreger verursacht werden. Die Fähigkeit von Pflanzen, mikrobielle Krankheitserreger wie Bakterien und Pilze zu bekämpfen, wird zu einem großen Teil von Pflanzengenen bestimmt, die die Abwehrkräfte der Pflanzen regulieren. In einer neuen Studie haben Forscher der AU Flakkebjerg untersucht, wie Pflanzen mit unterschiedlichen Resistenzmerkmalen mit ihren Mikroben interagieren, um auf den Angriff von Krankheitserregern zu reagieren.

Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Mikrobiologisches Spektrum.

„Wir haben untersucht, was in Pflanzen passiert, wenn sie von einem Krankheitserreger befallen werden. Welche Veränderungen treten in der Pflanze selbst sowie den damit verbundenen mikrobiellen Gemeinschaften (also dem Mikrobiom) während eines Krankheitserregerangriffs auf? Was macht manche Pflanzen resistent und andere nicht? Um diese Fragen zu beantworten, haben wir die Wechselwirkung zwischen pflanzlichen chemischen Verbindungen und der Fülle von mikrobiellen Gemeinschaften, die mit der Pflanze assoziiert sind, untersucht. Dies ist nicht wirklich ein neues Forschungsgebiet, aber durch die Anwendung neuer und moderner Technologien in dieser Studie konnten wir es erreichen einen viel detaillierteren Einblick in das, was tatsächlich in Bezug auf die Wechselwirkungen zwischen Pflanzenchemikalien und Mikroben vor sich geht“, sagt Assistenzprofessor Enoch Narh Kudjordjie, einer der leitenden Forscher der Abteilung für Agrarökologie der Universität Aarhus.

Pflanzen haben ihr eigenes integriertes Abwehrsystem

Pflanzen haben wie Menschen ein eigenes Immunsystem, das eine große Rolle bei der Krankheitsprävention spielt. Die Pflanzenabwehr wird durch pflanzliche Sekundärmetaboliten, Hormone und nützliche Mikroben in und um die Pflanze herum streng reguliert.

Dieses Abwehrsystem und seine Aktivierung sind komplex, und wir müssen noch im Detail verstehen, wie diese Komponenten zusammenkommen, um der Pflanze zu helfen, sich vor Angriffen zu schützen. Es gibt jedoch Licht am Ende des Tunnels, da Wissenschaftler Fortschritte bei der Untersuchung dieser Abwehrkomponenten machen, indem sie verschiedene Pflanzengenotypen analysieren und neue Techniken wie Next-Generation-Sequencing und analytische Chemieplattformen verwenden.

„Wir haben mit einer Modellpflanze gearbeitet, die als Arabidopsis thaliana bekannt ist. Arabidopsis-Genotypen weisen unterschiedliche Resistenzgrade gegenüber Fusarium oxysporum auf, einem Pilzpathogen, das mehrere Pflanzenarten befällt. In der vorliegenden Arbeit haben wir zwei Arabidopsis-Genotypen verwendet; einen, der resistent ist, und einen anderen das für Fusarium oxysporum anfällig ist. Diese gegensätzlichen Genotypen wurden ausgewählt, um uns einen umfassenden Einblick in die metabolischen und mikrobiellen Veränderungen zu ermöglichen, die die Resistenz und Anfälligkeit von Pflanzen während eines Pathogenbefalls unterstreichen“, erklärt Kudjordjie.

Krankheitsinfektion

Zunächst infizierten die Forscher zwei Wochen alte Arabidopsis-Genotypen, die in Feldboden im Gewächshaus wuchsen, mit dem Pilzerreger Fusarium oxysporum. Um die Veränderungen während des Infektionszeitraums zu untersuchen, sammelten sie in 5-Tages-Intervallen Wurzel- und Sprossproben, beginnend am 5. Tag nach der Infektion bis zum 25. Tag nach der Infektion. Sie bestätigten die Infektionen durch qPCR und durch Überwachung der Krankheitssymptome.

„Auf diese Weise waren wir absolut sicher, dass die Pflanzen tatsächlich infiziert waren. Der qPCR-Test zeigte einen deutlichen Unterschied zwischen den beiden Genotypen, wobei der resistente Genotyp einen viel geringeren Anteil des Erregers hatte als der anfällige.“

Pflanzenchemie und Mikrobiom sind einzigartig

Kudjordjie fährt fort: „Wir haben dann die Unterschiede untersucht, die in der Chemie und den Mikrobiomen in den beiden Genotypen bestehen könnten, und wir haben große Unterschiede festgestellt. Wie erwartet waren die untersuchten Pflanzenmetaboliten und Hormone sowohl in den gesunden als auch in den erkrankten Pflanzen unterschiedlich, was bestätigt wurde die Beteiligung bestimmter pflanzenchemischer Moleküle an der Vermittlung der Pflanzenabwehr. Ebenso fanden wir heraus, dass die mikrobielle Zusammensetzung sowie mikrobielle Gemeinschaftsnetzwerke in gesunden und kranken resistenten und anfälligen Pflanzen unterschiedlich waren. Darüber hinaus waren es nützliche Bakterien wie die Gattungen Pseudomonas und Rhizobium hauptsächlich in der Rhizosphäre infizierter Pflanzen angereichert, was auf eine aktive Rekrutierung von Mikroben hindeutet, um der Invasion von Krankheitserregern zu widerstehen.

Pflanzengene, Chemie und mikrobielle Gemeinschaften spielen dabei eine Schlüsselrolle

„Aus einer umfassenderen Perspektive hat die vorliegende Arbeit unser Verständnis darüber vertieft, wie sich Pflanzen gegen einen Pilzpathogen verteidigen. Noch wichtiger ist, dass wir eine starke und einzigartige Assoziation zwischen einzelnen Abwehrmetaboliten und spezifischen Mikroben in den gesunden und kranken Pflanzen der verschiedenen gefunden haben Genotypen. Eine weitere Analyse der Gene, die für die Pflanzenabwehr gegen den Krankheitserreger verantwortlich sind, ergab mehrere Mutationen in verschiedenen chemischen und hormonellen Signalwegen in der anfälligen Pflanze im Vergleich zur resistenten Pflanze. Diese Ergebnisse bestätigten nachdrücklich, dass drei zugrunde liegende Wirtskomponenten (Gene, Metaboliten und Mikrobiome), Pflanzenabwehr interaktiv steuern“, erklärt Kudjordjie.

„Einfach ausgedrückt haben wir herausgefunden, dass einzelne Pflanzengenotypen über einen einzigartigen Satz von Genen verfügen, die biologische Aktivitäten regulieren, einschließlich Stoffwechselprozesse, die den Aufbau spezifischer Mikrobiome während verschiedener physiologischer Zustände der Pflanze vermitteln. Die Mikroben im Boden beeinflussen jedoch auch, was im Boden passiert Pflanze, Anlage.“

Natürlicher Pflanzenschutz der Zukunft

Können wir uns eine Zukunft vorstellen, in der Pflanzen mit optimiertem Ertrag und anderen agronomischen und wirtschaftlichen Gewinnen ohne den Einsatz synthetischer Chemikalien angebaut werden? Das wird die menschliche Gesundheit verbessern und auch die Umweltverschmutzung durch Agrochemikalien beseitigen. Bis jetzt weisen immer mehr Beweise auf diese Möglichkeit hin, und die aktuellen Ergebnisse der AU-Forscher sind entscheidend für zukünftige Forschungsbemühungen bei der Entwicklung von Naturprodukten für den Pflanzenschutz.

„Obwohl diese Ergebnisse aufregend sind, müssen wir unser Wissen nutzen und in zukünftige Strategien zur Krankheitsbekämpfung integrieren. Ein Ansatz von Pflanzenseite wäre die Entwicklung von Pflanzengenotypen mit erhöhten Konzentrationen an Abwehrmetaboliten, um bestimmte Mikroorganismen zur Bekämpfung bestimmter Krankheitserreger anzulocken. Dies bedeutet, dass Pflanzenzüchter die Pflanzenchemie in ihre Werkzeugkiste aufnehmen müssten. Eine andere Strategie besteht darin, mikrobielle Impfstoffe zu entwickeln, darunter mehrere nützliche Mikroben, die die Pflanzenfitness in unterschiedlichen Umgebungen optimal verbessern können. Wir sind ziemlich optimistisch, Mikrobiome als Pflanzenschutzmittel sowie als a Möglichkeit, ‚Super‘-Pflanzen anzubauen, die in der Lage sind, sich in Zukunft gegen Krankheitserreger zu verteidigen“, sagt Kudjordjie.