Schnelleres Screening von Biologika auf Wachstumsstimulanzien, Krankheitsschutz bei Weizen und Mais

Die Forscher fanden einen viel schnelleren Weg, um Bodenbakterien als potenzielle Biostimulanzien und Biopestizide zu untersuchen. UJ-Wissenschaftler identifizierten im Vergleich zu den neuesten Studien zehnmal mehr flüchtige Signalverbindungen aus den Bakterien.

Rhizobakterien können Nutzpflanzen vor abiotischem und biotischem Stress schützen, indem sie das Pflanzenwachstum und die Selbstverteidigung der Pflanzen fördern. Landwirte wenden die Bakterien als Saatgutbeschichtungen oder Impfmittel an. „Biologicals“ sind umweltfreundlich und können den Bedarf an chemischen Düngemitteln und Pestiziden reduzieren.

Bei Nutzpflanzen wie Weizen, Mais und Tomaten können pflanzenfreundliche Bakterien, die in ihrem Wurzelbereich leben, Pflanzen erheblich schützen und ihr Wachstum fördern. Bakterienschutz kann auch bei gestressten Pflanzen wirksam sein.

In einer Studie veröffentlicht in Metabolitenzeigen Forscher der University of Johannesburg (UJ) einen viel schnelleren Ansatz zum Screening von Bakterien auf potenzielle Verwendung als natürliche Düngemittel und Pestizide.

Sie züchteten im Labor vier Stämme vielversprechender Rhizobakterien. Dann analysierten sie die Signalmoleküle, die die Bakterien mit metabolomischen Techniken produzierten.

Mit einem neuen Ansatz identifizierten sie eine überraschende Menge von 121 verschiedenen flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs), die nur von den vier Stämmen produziert wurden. Dies ist zwischen dem 10- und 20-fachen dessen, was die meisten aktuellen veröffentlichten Forschungsstudien ermitteln.

Natürlicher Wachstumsschub und Schutz

Unter den 121 VOCs fanden sie drei Formen von Salicylsäure. Diese VOCs wurden von drei der vier Bakterienstämme produziert.

„Wir haben drei Derivate der Salicylsäure gefunden: Methylsalicylat, Isoamylsalicylat und n-Hexylsalicylat.

„Salicylsäure ist ein Pflanzenhormon, das eine große Rolle beim Pflanzenwachstum und der Induktion von Resistenzen gegen Krankheiten spielt“, sagt Dr. Msizi Mhlongo. Mhlongo ist der Hauptautor der Studie und Dozent an der Abteilung für Biochemie der UJ.

Methylsalicylat ist außerhalb von Forschungskreisen besser bekannt als die Chemikalie hinter dem Geruch von „Wintergrün“, das Körperlotionen, Pflastern für Sportverletzungen und Lebensmitteln zugesetzt wird.

„Methylsalicylat ist flüchtig und kann sich in der Luft um die Pflanze herum bewegen. Aber es ist auch ein mobiles Signal innerhalb der Pflanze – es kann von den Wurzeln zu den Blättern einer Pflanze wandern. Die Wurzeln können den Blättern sagen, dass sie aufwachen sollen und Resistenz auslösen‘ – unter Verwendung von Methylsalicylat. Diese Form der Resistenz ist systemisch erworbene Resistenz (SAR)“, sagt Prof. Ian Dubery, ebenfalls von der Abteilung für Biochemie der UJ und Betreuer der Studie.

Signale auseinanderhalten

Die Forscher verwendeten hochauflösende Massenspektrometrie, um zwischen den 121 VOC-Molekülen zu unterscheiden.

„Die Empfindlichkeit des Instruments, die hohe Abtastrate und seine Fähigkeit, sehr nahe beieinander liegende Molekülmassen zu unterscheiden, haben dies ermöglicht. Außerdem ist es die Fähigkeit der Software, Molekülpeaks zu trennen“, fügt Mhlongo hinzu.

Alle drei Formen von Salicylsäure, die sie gefunden haben, sind wertvoll für ihre Fähigkeit, bei einigen Pflanzen eine induzierte systemische Resistenz (ISR) auszulösen. ISR ist das wurzelgesteuerte „induzierte Immunsystem“, das Pflanzen hilft, sich selbst zu schützen, wenn sie gestresst oder angegriffen werden. Landwirte können die ISR in ihren Kulturen mit Rhizobakterien-Saatgutbeschichtungen oder Impfmitteln steigern.

Screening auf Biostimulanzien

„Wir haben nach den wichtigen Signalmolekülen gesucht, die diese Bakterien absondern, um bei Pflanzen einen Widerstandszustand auszulösen“, sagt Dubery.

„Nicht alle Bakterien in der Rhizosphäre sind aktive Induktoren von SAR oder ISR. Der Zweck dieser Studie war es herauszufinden, welche Stämme ISR besser induzieren können“, fügt er hinzu.

Sie verwendeten südafrikanische Stämme der Rhizobakterien Pseudomonas koreensis, Pseudomonas fluorescens, Lysinibacillus sphaericus und Paenibacillus alvei. Prof. Nico Labuschagne von der University of Pretoria lieferte die Stämme aus seiner Sammlung von Rhizobakterien-Isolaten.

Frühere Gewächshausversuche von Labuschagne in Südafrika hatten die vier Stämme auf ihr biostimulierendes und biopestizides Potenzial für Weizen, Mais und Tomaten hin untersucht.

„Im Allgemeinen beginnt der Prozess des Screenings von Bakterien damit, sie aus einer Umgebung wie einer Art Boden oder Feuchtgebiet zu isolieren. Sie können sie auf das Vorhandensein eines einzelnen Moleküls oder einer Gruppe von Molekülen untersuchen. Dann würden Sie auf Sicherheit prüfen, gefolgt durch Glashausversuche, dann Feldversuche, bevor sie kommerziell vertrieben werden“, sagt Dubery.

Das „Darmbiom“ der Pflanze

Unter guten Bedingungen ohne viel Stress gehen Rhizobakterien mit Pflanzen und ihren Wurzeln eine Partnerschaft ein, ähnlich wie Darmbakterien mit ihren menschlichen Wirten, sagt Dubery. Die Rhizobakterien ermöglichen den Pflanzen unter anderem die Aufnahme von Nährstoffen wie Stickstoff und Phosphor.

In Zeiten von abiotischem Stress helfen die Rhizobakterien, ihre Partnerpflanzen zu verteidigen. Dies kann Wassermangel, hohe Temperaturen oder ein hoher Salzgehalt im Boden sein. Auch bei biotischen Belastungen wie einer Infektion durch Pilze, Viren oder pathogene Bakterien; oder durch Unkraut oder andere Pflanzen bedroht sind; Rhizobakterien verstärken die chemische Abwehr ihrer Partnerpflanzen.

Die Rhizobakterien erreichen all dies, indem sie flüchtige organische Verbindungen (VOCs) produzieren, wie sie von den UJ-Forschern identifiziert wurden.

Die VOCs wirken auf vielfältige Weise als Kommunikationssignale wie „Hilferuf“, biochemische Abwehr und Biodünger.

Rhizobakterien können mithilfe von VOCs anderen Mikroben Signale geben, sagt Mhlongo. Mikroben können Pflanzen signalisieren. Es ist sogar möglich, dass Pflanzen Mikroben signalisieren, fügt er hinzu. Sie haben zuvor a verfasst umfassende Überprüfung der Forschung zu diesem Thema, an das sich die aktuelle Studie anlehnt.

Screening vor Feldversuchen

Die Ergebnisse der Studie zeigen die hohe Zahl an Signalmolekülen, die von den vier Bakterienstämmen produziert werden. Folgearbeiten müssten das Volumen, die Konzentration und die Konsistenz der Produktion untersuchen.

„Je mehr Forschung betrieben wird, desto zuverlässiger werden biostimulierende Ansätze“, sagt Mhlongo.

„Pflanzenwachstumsfördernde Rhizobakterien (PGPR) sind kulturspezifisch. Was bei Tomaten, Weizen und Mais gut funktioniert, funktioniert möglicherweise nicht bei Spinat. Diese Art von Forschung hilft uns zu wissen, welche pflanzenspezifischen Bakterien das Wachstum fördern und Resistenzen auslösen. “ er addiert.

VOC-Analysen wie diese Studie können „Biomarker“ für zukünftige Studien schaffen, fügt Mhlongo hinzu. Als Beispiel könnte man die drei Formen von Salicylsäure, die sie in dieser Studie gefunden haben, als Biomarker für induzierte Pflanzenresistenz SAR und ISR definieren.

Beim Screening anderer Rhizobakterien auf die Induktion von Pflanzenresistenz ist es nicht erforderlich, Glashausversuche oder Feldversuche durchzuführen, um Nichtstarter auszuschließen. Stattdessen kann man mit hochauflösender Massenspektrometrie eine ähnliche Analyse der VOCs dieser Bakterien durchführen. Dadurch können Stämme oder Stammkombinationen frühzeitig ausgeschlossen werden, die eine gewünschte Gruppe von Molekülen wie die verschiedenen Formen der Salicylsäure nicht produzieren.

Bereitgestellt von der Universität Johannesburg