Trockene Hitze macht krank

Ein intaktes Bodenmikrobiom trägt durch Verdrängungsmechanismen dazu bei, Pflanzen vor im Boden lebenden Pathogenen zu schützen. Die Kombination aus Hitze- und Trockenstress kann die mikrobielle Gemeinschaft teils irreversibel schädigen – mit gravierenden Folgen für die Pflanzengesundheit.

Pflanzen leben mit den mikrobiellen Gemeinschaften in ihrem Wurzelraum in einer Art Symbiose. Dabei spielt nicht nur die wechselseitige Versorgung mit Nährstoffen eine Rolle. Ein intaktes Bodenmikrobiom sorgt durch Prozesse wie Nahrungswettbewerb, Antibiose oder Parasitismus dafür, dass die Zahl der Pflanzenpathogene klein gehalten wird. Dieser Effekt ist nicht zu unterschätzen, da bodenlebende Pathogene das Ertragspotenzial aller ökonomisch relevanten Ackerpflanzen beeinträchtigen und sogar totale Ertragsausfälle verursachen können. Zudem können sie auch den Anbau von Leguminosen erschweren. Das führt zu einer reduzierten biologischen Bindung von Stickstoff im Boden und macht zusätzliche Düngungen notwendig.

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Vor diesem Hintergrund und dem zunehmenden Klimawandel stellt sich eine wichtige Frage: Wie reagiert die mikrobielle Gemeinschaft im Boden auf abiotischen Stress wie Hitze und Trockenheit?

Hitzestress verändert das Bodenmikrobiom

Eine internationale Forschergruppe unter maßgeblicher Beteiligung der Universitäten Bonn und Kassel sowie der HU Berlin ist dieser Frage am Beispiel von kombiniertem Hitze- und Trockenstress nachgegangen. An der Erbse (Pisum sativum) und ihres Schadpilzes Pythium ultimum haben die Wissenschaftler untersucht, wie Böden aus unterschiedlichen Regionen Europas auf 40 Grad Wärme und halbierte Bodenfeuchtigkeit reagieren.

Bekannt war aus einer anderen Studie, dass Bodentemperaturen von 50 Grad die Zusammensetzung des Bodenmikrobioms verändern und dass dies zur Ausbreitung eines pathogenen Pilzes führen kann. Unklar blieb damals jedoch, ob dieser Effekt bereits bei realistischeren Hitzebedingungen auftritt. Auch ist die Frage noch unbeantwortet, ob bestimmte Bodenarten dem Mikrobiom eine gewisse Toleranz gegen Hitzestress verleihen können.

Die Bodenproben für die neue Studie stammten aus zwei Regionen in Schottland sowie jeweils einer Region in Deutschland und in Ungarn. Dabei wählten die Wissenschaftler Böden aus Langzeitfeldversuchen, für die stabile Bodeneigenschaften garantiert waren. Die schottischen Böden bestanden aus sandigem Lehm, der deutsche aus schluffigem Sand, der ungarische aus Sand. Einer der schottischen Böden wurde zudem ökologisch bewirtschaftet. Die Studie erfolgte anschließend randomisiert unter kontrollierten Bedingungen in Klimakammern mit je fünf Kopien jeder Versuchskonstellation. Die Erbsenkeimlinge wurden in Töpfen mit den jeweils unterschiedlichen Bodenproben kultiviert, sowie mit sterilisiertem Sand als Kontrolle.

Klare Unterschiede zwischen den Böden

In einer ersten Versuchsrunde wurden die Böden mit unterschiedlichen Konzentrationen des Schadpilzes angeimpft, um zu ermitteln, wie gut die jeweiligen Böden die Pathogene unterdrücken. Dazu erfassten die Forscher 21 Tage nach Aussaat die Anzahl der erkrankten Pflanzen und ermittelten das Gewicht der oberirdischen Biomasse. Erwartungsgemäß sank die Zahl der überlebenden Erbsenpflanzen generell mit steigender Konzentration des Schadpilzes.

Bei infizierten Böden fiel die Biomasse deutlich geringer aus als in der Kontrolle mit sterilem Sand. Es zeigten sich aber auch klare Unterschiede zwischen den jeweiligen Böden: So erging es den Erbsen in ungarischer Erde am besten. Einen Zusammenhang mit allgemeinen Kriterien der Bodenfruchtbarkeit konnten die Forscher dabei nicht herstellen.

In einer zweiten Versuchsrunde wurden die Böden zunächst vier Tage lang einem Hitze- und Trockenstress ausgesetzt, bevor die Animpfung erfolgte. Dabei betrug die Temperatur 40 statt 15 Grad Celsius und die Bodenfeuchtigkeit war gegenüber den nicht gestressten Vergleichspflanzen halbiert. Die gestressten Pflanzen zeigten im Vergleich zu den ungestressten eine höhere Mortalität, stärkere Krankheitssymptome und geringere Biomassezunahme. Nach jeweils einem Tag und 43 Tagen überprüften die Forscher, wie gut sich das Bodenmikrobiom erholt hatte und ob es zu seiner alten Schädlingsresilienz zurückgekehrt war. 

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Große Stresstoleranz bedeutet geringe Resilienz

Das Ausmaß der Stressfolgen unterschied sich stark nach der Herkunft der Böden. Besonders negativ waren die Effekte bei den Pflanzen in schottischen Böden, die aus einem kühleren und feuchteren Durchschnittsklima stammten als die anderen Versuchsböden. Allerdings war es auch die Probe eines schottischen Bodens, die als einzige nach 43 Tagen ihre pathogenunterdrückende Fähigkeit weitgehend regeneriert hatte. Bei einer Probe mit ungarischem Boden verschlechterte sich diese Fähigkeit bis zum Tag 43 sogar noch weiter. Für die anderen Proben ermittelten die Forscher keine Unterschiede zwischen Tag 1 und Tag 43. Der Hitze- und Trockenstress hatte deren pathogenunterdrückende Wirkung langfristig geschädigt.

In Summe zeigte sich ein klares Muster: Je geringer der abiotische Stress das Mikrobiom einer Bodenprobe beeinträchtigte, desto schlechter regenerierte das Mikrobiom anschließend. Anders gesagt: Je größer die Stresstoleranz, desto geringer die Resilienz der Stresstoleranz. Eine gute Resilienz ist in der Praxis bedeutsam, da sie es ermöglicht, dass der Boden nach abiotischem Stress seine supprimierende Wirkung zurückerlangt, bevor das meist kurze Zeitfenster auftritt, in der ein Keimling für die Infektion mit Pathogenen besonders anfällig ist.

Auch wenn nur eine Bodenprobe in der Studie eine entsprechende Resilienz aufwies, lässt sich daran nicht abschätzen, wie verbreitet diese Eigenschaft tatsächlich ist und wie stark sie vielleicht auch von der Pflanzenart abhängt. Ein klares Muster, welche Bodeneigenschaften begünstigend sind, ließ die Studie nicht erkennen.

Klimawandel könnte Pilzinfektionen verstärken

Das Versuchsdesign konnte zwar nicht zwischen den Effekten von Trockenheit und Hitze differenzieren, doch in der Praxis treten beide Stressfaktoren meist gemeinsam auf. Somit können trockene Sommer, in denen auch nur einige Tage in Folge die Temperaturen auf mehr als 40 Grad Celsius steigen, das Gleichgewicht des Bodenmikrobioms in Mitleidenschaft ziehen: pathogene Pilze nehmen darin zu und die Pflanzen werden krank.

Das ist ein Warnsignal für Landwirte und Pflanzenzüchter, denn damit dürfte der Klimawandel dazu führen, dass bodenbasierte Pflanzenkrankheiten in Frequenz und Stärke weiter zunehmen werden. Wie sehr das jeweils der Fall sein wird, dürfte der Studie zufolge davon abhängen, wie gut das jeweilige Bodenmikrobiom an das gelegentliche Auftreten derartiger abiotischer Stresssituationen bereits angepasst ist. Höhere Breitengrade wie Schottland, wo die erwartete Temperaturzunahme besonders stark ausfällt, wären zunächst verstärkt von den Klimafolgen betroffen – wenngleich auch hier auf lange Sicht eine Anpassung des Mikrobioms zu erwarten ist.