Gemeinsam sind wir stark

Im Boden lebende Bakterien können mit der Freisetzung flüchtiger organischer Verbindungen die Pflanzen vor pathogenen Pilzen schützen. Besonders effektiv ist die Kombination verschiedener Bakteriengattungen, fanden Forscher heraus.

Im Boden lebende Schadpilze sind ein ernstes Problem in der Landwirtschaft. Manche dieser pathogenen Pilze können über längere Zeit inaktiv im Boden überdauern, bevor sie Pflanzen befallen und dann hohe Ernteschäden verursachen. Eine neue Studie unter Beteiligung des Leibniz-Institutes für Gemüse- und Zierpflanzenbau befasst sich jetzt mit der Bekämpfung dieser Pilze auf biologischem Weg.

Sklerotien als Dauerform

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Verschiedene im Boden lebende Pilzarten haben die Fähigkeit, langlebige Überdauerungsformen zu bilden. Diese als Sklerotien (griechisch skleros = hart) bezeichneten Gebilde bestehen aus verfestigtem, meist bräunlichem Dauermycel aus sehr eng verflochtenen Hyphen. Damit kann der Pilz über Jahre hinweg auch bei ungünstigen Bedingungen überleben. Einige Pilzarten (Familie der Sclerotiniaceae) können sich auch über Sklerotien vermehren, indem sie aus der Dauerform heraus Fruchtkörper (Apothecien) bilden. Viele dieser Pilze sind bedeutende Pflanzenschädlinge, die durch diese besondere Lebensweise nur schwer zu bekämpfen sind.

Das Mikrobiom als Pflanzenschützer

Da chemische Pflanzenschutzmittel mitunter starke Auswirkungen auf die Umwelt haben, erforschen Wissenschaftler zunehmend biologische Ansätze zur Schädlingsbekämpfung. Ein Ansatz ist die Suche nach möglichen biologischen Gegenspielern (Antagonisten) im Mikrobiom des Bodens. Neuere Erkenntnisse zeigen, dass diese Gemeinschaft von Mikroorganismen einen großen Einfluss auf das Wohlergehen der Pflanzen und damit auch auf die Ernte hat. Ein „gesundes“ Mikrobiom ist in der Lage, Pflanzen vor schädlichen Pilzen zu schützen, unter anderem durch die Freisetzung von flüchtigen organischen Verbindungen (microbial Volatile Organic Compounds, mVOCs), die den Mikroben als Kommunikationsmittel und als wirkungsvolle Waffe gegen Pathogene dienen.

Bakterienfallen mit dem Pilz als Köder

Um natürliche Gegenspieler von Schadpilzen zu entdecken, untersuchten die Wissenschaftler die im Boden vorkommenden Bakterien in der direkten Umgebung des Pilzes Rhizoctonia solani, einem bedeutenden Kartoffelschädling. Dabei verglichen sie die gefundenen Mikroorganismen mit dem Bakterienspektrum, das auf der Oberfläche gesunder Kartoffeln auftrat. Sie stellten fest, dass sich das Mikrobiom durch den Befall mit R. solani veränderte: Kamen bei gesunden Kartoffeln noch hauptsächlich die Bakterienfamilien Caulobacteraceae und Flavobacteriaceae vor, fanden die Forscher nach dem Befall vorwiegend die Bakterienfamilien Bradyrhizobacteriaceae und Phyllobacteriaceae. Die Forscher schlossen daraus, dass die neu angesiedelten Bakterien möglicherweise mit dem Pilz in Verbindung stehen und mit ihm interagieren.

In einem weiteren Versuch wurden mittels im Boden eingegrabener Petrischalen, die Sklerotien des pflanzenpathogenen Pilzes Sclerotinia sclerotiorum enthielten, mögliche bakterielle Gegenspieler angereichert und die gesammelten Proben analysiert. Um aus den Proben beider Versuche mögliche Antagonisten zu isolieren, wurden die verschiedenen Bakterien zusammen mit je einer der beiden Pilzarten auf Agarplatten kultiviert und Auswirkungen auf das Pilzwachstum beobachtet.

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Auf diesem Weg konnten 13 Antagonisten für R. solani und 34 Antagonisten für S. sclerotiorum identifiziert werden. Die meisten dieser Gegenspieler gehörten zur Gattung Bacillus (41), dazu kamen je zwei Arten der Gattungen Buttiauxella, Enterobacter und Pseudomonas.

mVOCs als Wachstumshemmer

Anschließend untersuchten die Forscher, wie sich die von den Bakterien freigesetzten mVOCs auf das Wachstum der beiden Schadpilze auswirken. Die auf zwei gasdicht gegeneinander geklebten Petrischalenböden kultivierten Pilze und Bakterien wurden inkubiert und ausgewertet.

Die 19 wirkungsvollsten Bakterien erreichten im Einzelversuch bei S. sclerotiorum eine Wachstumshemmung von 49,6 bis 96,2 Prozent, bei R. solani 33,6 Prozent. Eine Kombination von zwei oder drei Bakterienarten war noch wirkungsvoller: Die Kombination von Bacillus cereus Rs-MS53 und Pseudomonas helmanticensis Sc-B94 konnte bei S. sclerotiorum das Wachstum vollständig hemmen. Bei R. solani erreichte die Kombination von Bacillus cereus Rs-MS53,  B. aerius Rs-So365 und B. amyloliquefaciens Sc-K55 eine Hemmung bis zu 56,2 Prozent.

Eine Untersuchung im Lasermikroskop zeigte, dass sich bei S. sclerotiorum, dem größeren der beiden Pilze, unter dem Einfluss der mVOCs die Oberfläche der Sklerotien verändert hatte und Verfärbungen auftraten. Allerdings hatte die Behandlung keine Auswirkungen auf die Fortpflanzungsfähigkeit des Pilzes.

Noch viel Forschung nötig

Abschließende Untersuchungen der mVOCs mittels  Massenspektrometrie zeigten, dass Alkylpyrazine (Bacillus) und Dimethylsulfid (Pseudomomas) zwei der wirkungsvollsten mVOCs bei der Bekämpfung der Schadpilze waren. Die Alkylpyrazine 2-Ethylpyrazin und 2,3-Dimethyl-5-Isobutylpyrazin waren in höherer Konzentration sogar in der Lage, die Keimung von S. sclerotiorum deutlich zu verringern. Allerdings geben die Bakterien diese mVOCs unter natürlichen Bedingungen in deutlich geringerer Konzentration ab als im Versuch, betonen die Forscher.

Die Forscher konnten damit zeigen, dass bestimmte Kombinationen von Bakterien aus dem Mikrobiom zu einer effektiven Eindämmung des Wachstums von Schadpilzen führen können – ausgelöst durch die freigesetzten mVOCs. Allerdings ist weitere Forschung nötig, um daraus praktische Pflanzenschutzmaßnahmen in der Landwirtschaft zu entwickeln.