Winzige Helfer mit großer Wirkung

Pflanzen sind während des Wachstums vielen Gefahren ausgesetzt. Eine der gravierendsten ist der Befall mit Pilzen. Oft endet dieser mit dem Tod der Pflanzen. Mehr als 80% aller bekannten Pflanzenkrankheiten werden durch Pilzinfektionen verursacht. Einer neuen Studie zufolge können Pflanzen Allianzen mit im Boden lebenden Bakterien schmieden, um sich vor einem Pilzbefall zu schützen. Damit eröffnen sich neue Wege für den Pflanzenschutz.

Pilze gelten weltweit als wichtige Schadfaktoren im Pflanzenbau. Sie sind für Ertragsverluste und Missernten verantwortlich. Durch die intensive Nutzung der Böden können sich Schadorganismen in diesen anreichern und das Wachstum der Pflanzen beeinträchtigen. Gegenmaßnahmen gibt es. So stellt eine angepasste Fruchtfolge eine wichtige Lösung dar. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Chemische Ökologie in Jena (MPI CE) untermauern dies und haben gleichzeitig einen alternativen Ansatz entdeckt: Ein Biococktail aus Bakterien kann Pflanzen schützen. Denn unter den Bakterien gibt es nicht nur Schädlinge, sondern auch Pflanzenschützer.

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Klein aber oho

Dass Mikroorganismen Pflanzen behilflich sein können, ist seit langem bekannt. Insbesondere Pflanzenwurzeln sind ein Hotspot für das Ansiedeln von Mikroorganismen. Denn der Boden und die Rhizosphäre beherbergen eine riesige Anzahl von Kleinstlebewesen.

Mykorrhiza-Pilze zum Beispiel unterstützen die Nährstoff- und Wasseraufnahme von Pflanzen; Rhizobien sind Bakterien, die ihre grünen Freunde mit Stickstoff versorgen; und andere Bakterien und Pilze können pflanzeneigene Signale oder Hormone beeinflussen die ihrerseits Abwehrmechanismen der Pflanzen stimulieren.

Biokontrolle ersetzt Fungizide

In Labor- und Feldexperimenten hat das Team um Ian Baldwin vom MPI CE die Effektivität einer Biokontrolle durch Bakterienstämme untersucht. Als Modellpflanze diente ihnen Nicotiana attenuata, der Kojotentabak. Diese robuste, einjährige Pflanze gehört zu den Nachtschattengewächsen und ist in der Great Basin Wüste im US-Bundesstaat Utah beheimatet. Bisher diente der Tabak als Untersuchungsobjekt zur Erforschung der Abwehr von Fressfeinden. Quasi durch Zufall kamen die Forscher dabei einem komplett anderen Mechanismen auf die Spur.

In einem langjährigen Anbau des Kojotentabaks in Utah beobachteten die Wissenschaftler das Absterben der Pflanzen quasi über Nacht. Ursachen waren Pilze der Gattungen Alternaria und Fusarium. Jedoch geschah dies vor allem, wenn sie den Kojotentabak in Monokultur anbauten. Aber sie beobachteten noch etwas Anderes: Betroffen waren vor allem Pflanzen, die zuvor unter sterilen Bedingungen im Labor angezogen und dann im Feld ausgepflanzt wurden.

Diese Herangehensweisen missachten das natürliche System. Zum einen sind Monokulturen ein menschliches Erzeugnis in der landwirtschaftlichen Praxis, das ein Ökosystem aus dem Gleichgewicht bringen kann. Zum anderen kommen Sprossen während der Keimung mit Bodenmikroorganismen in Kontakt und es kommt zu Interaktionen mit den Pflanzenwurzeln. Vor allem bei besonders kräftigen Pflanzen konnten solche Konsortien von Mikroorganismen mit den Pflanzenwurzeln beobachtet werden. Deshalb vermutet man, dass diese die Gesundheit und das Wachstum von Pflanzen fördern.

Daraufhin begannen die Forscher eine systematische Untersuchung der Interaktionen der Pflanzen mit den im Boden lebenden Mikroorganismen.   

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Freunde aus der Nachbarschaft

Die Forscher isolierten Bakterien und Pilze aus dem Wurzelbereich erkrankter Pflanzen. Insgesamt konnten sie 70 verschiedene Bakterien- und 36 Pilzearten identifizieren. Darunter waren pflanzenpathogene wie Fusarium oder Alternaria. Aus gesunden Pflanzen isolierten sie hingegen unterschiedliche Bakterienstämme und wählten für weiterführende Experimente die Arten aus, deren positive Wirkung auf Pflanzen bereits aktenkundig war. Das waren Bakterien der Gattungen Athrobacter, Bacillus und Pseudomonas.

Bei ihren weiterführenden Studien fanden die Forscher heraus, dass nicht eine einzelne Bakterienart die entscheidende Rolle spielt. Vielmehr beobachteten sie ausschließlich dann einen positiven Effekt, wenn Bakterienmischungen von mindestens drei bis fünf Arten kombiniert waren.

Mikrobengemeinschaften besser verstehen

Weitere Studien sind nun notwendig, um das Zusammenkommen nützlicher Bakterien und Pflanzenwurzeln zu verstehen, so dass diese gezielt induziert werden können. Auch wollen die Forscher verstehen, welche Mikroorganismen in welcher Kombination auf welche Pflanzen unter welchen Standortbedingungen eine Wirkung haben. Aber auch andere Sorten und Pflanzenarten sollen in die Studien einbezogen werden. Bisher konnten die Autoren der Studie die Wirksamkeit des Bakteriencocktails nur an zwei Sorten des Kojotentabaks testen. Der Bakterien-Cocktail war zwar effektiv, konnte die Sterberate im Vergleich zu der Kontrollgruppe, d. h. ohne eine Behandlung, lediglich halbieren. Die Forscher vermuten, dass sich dieser Effekt steigern lässt.

Wie und ob weitere Pflanzen von Bodenbakterien in ähnlicher Weise geschützt werden können, ist im Moment noch völlig offen. Auch ist bisher unklar, ob Pflanzen Mikroorganismen mit gesundheitsfördernder Wirkung aktiv selektieren oder diese sogar rekrutieren können. Sollten sich die Ergebnisse verallgemeinern lassen, steht ein neues Methodenspektrum für den Pflanzenschutz bereit.

Wenn man sich überlegt, dass in einem Gramm Boden mehr Mikroorganismen enthalten sind, als Menschen auf der ganzen Welt leben, und dass sich der größte Teil dieser Bakterien (noch) nicht im Labor kultivieren lässt, wird der Forschungsbedarf aber auch das Potenzial einer Biokontrolle deutlich.