Die Landwirtschaft in Europa ist zunehmend von extremen Wetterbedingungen betroffen, die zu Ernteausfällen führen. Im Jahr 2018 belief sich der Schaden allein in Deutschland auf rund 770 Millionen Euro. Die Widerstandsfähigkeit von Weizenpflanzen gegenüber diesen Belastungen könnte einen wesentlichen Beitrag zur Sicherung der weltweiten Nahrungsmittelproduktion leisten.
Im Rahmen des VolCorn-Projekts haben Wissenschaftler aus vier außeruniversitären Forschungseinrichtungen aus ganz unterschiedlichen Perspektiven untersucht, wie Weizenpflanzen und die sie besiedelnden Mikroorganismen wie Pilze und Bakterien auf Stressfaktoren reagieren, die durch extreme Wetterbedingungen wie Dürre verursacht werden , Überschwemmungen oder Schädlinge.
Die zugrunde liegende Annahme ist, dass die Mikrobiota, die Gemeinschaft der Mikroorganismen in und um die Pflanze, für die Pflanze genauso wichtig ist wie Mikroorganismen für das menschliche Immunsystem. Ein besseres Verständnis dieser Wechselwirkungen ist daher von zentraler Bedeutung, um Pflanzen besser auf diese Stresssituationen vorzubereiten.
Eine Schlüsselrolle bei der Abwehr dieser Stressfaktoren spielen flüchtige organische Verbindungen (VOCs), die von der Pflanze produziert und auch zur „Kommunikation“ mit der Mikrobiota genutzt werden. Um diese komplexen Zusammenhänge zu entschlüsseln, haben die Forscher moderne Ansätze genutzt. Mithilfe systembiologischer Methoden untersuchten sie Veränderungen im pflanzlichen Stoffwechsel und gleichzeitig Veränderungen in der Mikrobiota.
Mikroorganismen können bei Klimastress helfen
Die Forschung zeigt, dass Überschwemmungen und Dürren nicht nur generell das Wachstum und den Ertrag von Weizen reduzieren, sondern auch die Mikrobiota in den Wurzeln und Blättern verändern. Insbesondere die frühen Wachstumsstadien besiedeln pathogenere Mikroben. Dadurch werden gestresste Pflanzen anfälliger für Krankheiten.
Zur Überraschung der Forscher sammeln sich bei Überschwemmungen jedoch auch nützliche Bakterien im Wurzelbereich an, die die Aufnahme von Nährstoffen und Vitaminen durch die Pflanze fördern. Gleichzeitig verändert die Pflanze selbst ihren Stoffwechsel massiv.
Die Forscher konnten zeigen, dass die Aminosäure Alanin eine zentrale Rolle bei der Aufrechterhaltung der Stickstoffversorgung und des Stoffwechsels der gestressten Pflanzen spielt. „Vermutlich stellt die veränderte Mikrobiota dann mehr unterstützende Vitamine zur Verfügung, um den geschwächten Weizenstoffwechsel in der Wurzelzone zu unterstützen“, erklärt Projektkoordinator Steffen Kolb vom ZALF.
Schädlingsbefall beeinflusst die Bildung von VOCs durch die Weizenpflanze, die auf diese Form von Stress mit einer Abwehrreaktion reagiert. Das Projekt führte auch zur Entwicklung eines neuen Tools zur Datenanalyse komplexer Mischungen verschiedener VOCs mittels Massenspektrometrie, das Folgestudien beschleunigen wird.
Neue Erkenntnisse helfen Züchtern und Landwirten
„Wir hoffen, dass wir in Zukunft Mikroben und ihre pflanzenunterstützenden Eigenschaften gezielt anreichern können, um Weizenpflanzen widerstandsfähiger gegen Klimaveränderungen, wie zum Beispiel Hochwasserstress, zu machen“, sagt Kolb. In der Pflanzenzüchtung wird beispielsweise bereits an Programmen gearbeitet, die die Besiedelung von Pflanzen mit unterstützenden Mikroorganismen aus dem umgebenden Boden fördern. Ein weiteres Beispiel ist die Übertragung stressreduzierender Mikroorganismen auf Weizenpflanzen.
„Die Erkenntnisse aus der vielfältigen Reaktion der Weizenpflanze und ihrer Mikrobiota sind für die Züchtung klimaresistenter Weizensorten von großer Bedeutung und werden neue Wege für das systematische Management von Mikroorganismen im landwirtschaftlichen Pflanzenbau eröffnen. Weitere experimentelle Forschung ist jedoch erforderlich.“ „Das ist aufgrund der komplexen Zusammenhänge notwendig“, sagte der Projektkoordinator.
Bereitgestellt vom Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) eV