Ein optimales Mikrobiom

Das ist die Vision: Der Landwirt kann eine Nutzpflanzensorte auswählen, die optimal für seine Böden und Anbaumethoden passt. Und er bekommt mit dem Saatgut auch gleich die richtigen Bodenmikroorganismen mitgeliefert, die bestes Wachstum garantieren. Das Projekt „RECONSTRUCT“ möchte dies Realität werden lassen. Mit künstlich zusammengestellten Mikrobengemeinschaften sowie synthetischem Boden erforschen die Projektpartner, welche Mikroben das Wachstum und die Erträge von Mais ankurbeln.

Nutzpflanzen leben in engem Austausch mit dem Boden und hier interagieren sie mit zahlreichen Mikroorganismen. Bei der Gesamtheit aller Mikroorganismen eines spezifischen Lebensraums spricht man von einem Mikrobiom. Einige Mikroben sind schädlich für die Pflanzen. Andere wiederum haben eine wachstumsförderliche Wirkung. Im Projekt „RECONSTRUCT“ will man herausfinden, wie man die Interaktionen von Maispflanzen, Mikrobiom und Boden gezielt beeinflussen kann, um die Ernte abhängig von den Umweltbedingungen bestmöglich ausfallen zu lassen.

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„RECONSTRUCT“ ist ein Projekt, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Förderprogramm „Pflanzenzüchtungsforschung für die Bioökonomie“ ermöglicht wird. Es ist zunächst für den Zeitraum von 2016 bis 2019 bewilligt.

Die Projektpartner und Ziele

• Universität zu Köln: Prof. Dr. Marcel Bucher (Koordinator; Botanisches Institut), Prof. Dr. Tim Mansfeldt (Geographisches Institut)
• Forschungszentrum Jülich: Prof. Dr. Björn Usadel
• Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg: Prof. Dr. Uwe Sonnewald
• Universität Potsdam: Prof. Dr. Zoran Nikoloski
• Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie: Prof. Dr. Alisdair R. Fernie
• Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung: Prof. Dr. Paul Schulze-Lefert

Mit RECONSTRUCT assoziierte Partner:

• Eidgenössische Technische Hochschule Zürich: Prof. Dr. Johan Six
• Agroscope – Standort Reckenholz: Dr. Jochen Mayer

„Wir wollen am Ende geeignete Maissorten mit passendem Mikrobiom auswählen können, die auf bestimmten Böden unter minimalem Eintrag von Düngern und Pflanzenschutzmitteln gut und ertragreich wachsen“, fasst Projekt-Koordinator Prof. Dr. Marcel Bucher vom Botanischen Institut der Universität zu Köln die Ziele des „RECONSTRUCT“-Konsortiums zusammen. Doch dafür müssen zunächst die richtigen Mikroorganismen identifiziert werden.

Das Vorgehen

Vom Feld ins Labor: Feldversuche und omics- Untersuchungen

Im ersten Schritt wurden fünf genetisch stark diverse Maissorten auf Feldern mit vier unterschiedlichen Bodenbewirtschaftungssystemen angebaut. „Die Felder werden zum Beispiel seit vielen Jahrzehnten unterschiedlich gedüngt – und eignen sich daher sehr gut für unsere Versuche“, erläutert Dr. Nina Gerlach, wissenschaftliche Koordinatorin von der Universität zu Köln. Anschließend wurden Proben vom wurzelnahem Boden, der Rhizosphäre, genommen und genau definierte Bereiche der Pflanzen geerntet.

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Das Wachstum und die Physiologie der Maispflanzen sowie die Zusammensetzung der genommenen Proben werden mittels „omics“-Methoden analysiert: Neben dem Transkriptom, der Gesamtheit aller exprimierten Gene, und dem Ionom, der Gesamtheit der in der Pflanze zum Zeitpunkt der Probennahme enthaltenen Nährelemente, wird das Metabolom als Spiegel des aktiven Stoffwechsels der Pflanzen untersucht. Darüber hinaus betrachtet man das Mikrobiom, die Gesamtheit der in Pflanze und Boden natürlicherweise vorhandenen Mikroorganismen, sowie die Eigenschaften des landwirtschaftlichen Bodens.

Bei der Datenanalyse spielt die Bioinformatik eine sehr große Rolle: Die großen Datenmengen müssen zunächst verarbeitet und anschließend nach bestimmten Kriterien mithilfe statistischer Methoden ausgewertet werden. Am Ende werden die Ergebnisse der verschiedenen omics-Analysen miteinander verknüpft. Damit alle Projektpartner jederzeit Zugriff auf die Daten haben, wurde eigens für das Projekt eine virtuelle Plattform, die RECONSTRUCT-Database, erstellt. Alle Daten werden hier zentral abgelegt und liegen so für jeden nutzbar vor.

Modellierung

Nachdem durch die Feldversuche das Pflanzenwachstum, die mikrobielle Biodiversität des Bodens und die Bodeneigenschaften gemessen wurden, können anschließend am Computer erste Modelle erstellt werden. Die Modellierer versuchen darin, die wachstumsfördernden oder -hemmenden Aktivitäten der Mikroorganismen vorherzusagen. Dann selektiert man die förderlichen Mikroben und überlegt, wie eine insgesamt förderliche Mikroorganismengemeinschaft aussehen könnte. Deren Effekt auf die Pflanzenbiomasse wird dann prognostiziert.

Experimente: Mikrobengemeinschaften und Boden werden „rekonstruiert“

Im nächsten Schritt überprüft man diese Vorhersagen durch Experimente im Gewächshaus. Dafür stellen die Projektpartner synthetische Mikrobengemeinschaften im Labor her und untersuchen deren tatsächliche Effekte auf die Maispflanzen.

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Damit die Experimente vergleichbar und reproduzierbar sind, wird im Projekt neben künstlichen Mikrobiomen auch synthetischer Boden hergestellt. Zunächst werden alle Bodenbestandteile analysiert und abschließend im Labor nachgebildet. „Dafür mischen wir im Projekt verschiedene käufliche Substrate, beispielsweise Quarzsand mit unterschiedlichen Korngrößen und unterschiedliche Mineralien mit Elementen wie Eisenoxid“, erklärt Prof. Bucher.

Die Maissamen werden dann im sterilisierten natürlichen Boden oder im künstlichen Substrat, welche ausschließlich die synthetischen Mikrobengemeinschaften enthalten, zum Keimen gebracht. Nach einer Wachstumsphase von einigen Wochen werden die Versuchspflanzen geerntet und – wie davor die Feldpflanzen – analysiert. Durch die kontrollierten Bedingungen kann genau bestimmt werden, wie sich die künstlichen Gemeinschaften auf die Pflanzen auswirken. Das Modell wird über die Experimente nicht nur überprüft, sondern kann mit diesen Daten Schritt für Schritt verbessert werden.

Vom Gewächshaus ins Feld

Anschließend wird getestet, ob die beobachteten Effekte auch unter Feldbedingungen auftreten. Mit anderen Worten: Die Resultate aus den Gewächshausversuchen werden dann unter realen Anbaubedingungen überprüft.

Die Ergebnisse

Die bisherigen Untersuchungen zeigen, dass die einzelnen Maissorten sehr unterschiedlich auf die spezifischen Bedingungen eines Standortes, d. h. die Bodeneigenschaften, Bodenbearbeitung und unterschiedlichen Mikrobiome, reagieren. Bis zu einem gewissen Grad werden auch die Mikrobiome durch die genetische Ausstattung der Pflanzen beeinflusst, aber überwiegend sind der Bodentyp und das Mikrohabitat (Boden-Rhizosphäre-Wurzel) entscheidend. Wie bei vielen Kulturpflanzen spielt die Mykorrhizasymbiose auch unter Feldbedingungen eine wichtige Rolle bei der Ertragsbildung von Mais.

Klar ist bereits jetzt, dass für eine optimale Zusammensetzung des Mikrobioms individuelle Lösungen für unterschiedliche Flächen und Nutzpflanzen benötigt werden. Eine „One-fits-all“-Lösung kann es auch in Zukunft nicht geben.