Hilfe aus dem Untergrund

Wie andere Lebewesen auch, haben Insekten mit Pilzbefall zu kämpfen. Besonders Pilzarten, die sich im Inneren des Insektenkörpers festsetzen, werden in der Landwirtschaft bereits als Insektizid eingesetzt. Der Vorteil: Diese Pilze kommen natürlich in der Umwelt vor und haben daher keine negativen ökologischen Auswirkungen – anders als viele synthetisch hergestellte Insektizide. Die kleinen Schmarotzer haben aber noch andere Vorteile für die Pflanzen. Sie helfen ihnen bei der Assimilation von Nährstoffen. In einer neuen Studie haben Forscher:innen sich insbesondere mit der Aufnahme von Eisen auseinander gesetzt.

„Eisenträger“ gesucht

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Eisen ist ein essentieller Mikronährstoff für Pflanzen. Es ist unter anderem wichtig für die Energiegewinnung (Atmungskette), für die Photosynthese und für die Chlorophyllbildung. Pflanzen mit Eisenmangel haben Blätter mit aufgehellten Bereichen in den Interkostalfeldern (Chlorosen). Eisen kann von Pflanzen nur als zweiwertiges Eisen (Fe²⁺) aufgenommen werden. Im Boden hat es unter Sauerstoffeinfluss aber normalerweise die Oxidationszahl III (Fe³⁺) und liegt dann oft in schwerlöslichen Verbindungen vor. Ein Weg, es trotzdem aufnehmen zu können, ist die Ansäuerung des Bodens durch Wurzelexsudate. Dadurch sinkt der pH-Wert und immobiles dreiwertiges Eisen wird zu mobilem zweiwertigem Eisen reduziert. In kalkhaltigen Böden mit einem hohen pH-Wert reicht das aber oft nicht aus. Hier kommen die sogenannten Siderophore („Eisenträger“) ins Spiel: Es sind Stoffe, die mit dreiwertigem Eisen Chelate bilden können. Die gebundenen Eisenatome werden auf diesem Weg mobilisiert und in die Wurzelzelle geschleust, wo sie über spezielle Eisen-Reduktasen von dreiwertigem zu zweiwertigem Eisen reduziert werden. Allerdings können von den höheren Pflanzen nur die Süßgräser (Poaceae) eigenständig Siderophore abgeben. Bekannt ist aber, dass unter anderem auch im Boden vorkommende insektenpathogene Pilzarten wie Beauveria bassiana und Metarhizium brunneum unter Eisenmangelbedingungen ebenfalls dazu in der Lage sind.

Pilz macht Eisen mobil

Für ihre Versuche infizierten die Forscher:innen zunächst das Substrat von Melonen (Cucumis melo) mit den Pilzarten B. bassiana und M. brunneum. Nach 30 Tagen wurden die Pflanzen geerntet und die Gehalte an Siderophoren und Eisen in der Trockenmasse der Pflanzen sowie im Substrat gemessen. Die höchsten Gehalte fanden sich sowohl in den Pflanzen als auch in dem Substrat, die mit M. brunneum infiziert waren. Daraus schlossen die Forscher:innen, dass die Anwesenheit von M. brunneum den Pflanzen half, mehr Eisen aufzunehmen, was zu einem besseren Wachstum im Vergleich zu den Kontrollpflanzen beitrug.

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In einem weiteren Versuch ließen die Forscher:innen die Versuchspflanzen (Melonen und Kürbisse (Cucumber sativum) in einem eisenarmen Substrat wachsen und infizierten sie mit M. brunneum. Nach bereits einem Tag konnten die Forscher:innen bei den Kürbispflanzen eine 26-fach erhöhte Expression des Gens FRO1 (codiert eine Eisen(III)-Chelat-Reduktase) nachweisen. Ebenso waren die Expressionsraten der Gene für den Kationentransporters IRT1 (19-fach), für den Transkriptionsfaktor FIT (8,8-fach) und für die Plasmamembran-H+-ATPase HA1 (11-fach) deutlich erhöht. Laut der Forscher:innen deutet dieses Ergebnis klar darauf hin, dass die Anwesenheit der Pilze bei den Pflanzen eine erhöhte Aktivität der mit der Eisenaufnahme verbundenen Stoffwechselmechanismen ausgelöst hat.

Die Forscher:innen sind sich nun sicher, dass der Pilz nicht nur für den biologischen Pflanzenschutz taugt. Durch seine Unterstützung bei der Eisenaufnahme insbesondere in kalkhaltigen Böden könnte dieser Pilz helfen, die Anwendung synthetischer Dünger in der Landwirtschaft zu reduzieren.

Quelle:
García-Espinosa, F. et al (2023): Entomopathogenic Fungi-Mediated Solubilization and Induction of Fe Related Genes in Melon and Cucumber Plants. In: Journal of Funghi, Vol 9, 15. Februar 2023. doi: org/10.3390/jof9020258

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Titelbild: Melonen (Cucumber melo) erhalten vom insektenpathogenen Pilz Metarhizium brunneum Hilfe bei der Aufnahme von Eisen aus dem Boden. (Bildquelle: © hartono subagio / Pixabay)