Bakterien als biologischer Dünger für Anbaupflanzen
In der Landwirtschaft treten Bakterien, die das Pflanzenwachstum fördern, als aussichtsreicher und umweltverträglicher Ansatz zur Steigerung des Ernteertrags auf. Doch trotz ihres herausragenden Potenzials unter Laborbedingungen hat die Implementierung auf natürlichem Boden nicht zu den erwarteten Ergebnissen geführt. Dies liegt womöglich an der Unfähigkeit, sich an neue Bedingungen anzupassen oder an dem Wettbewerb mit einheimischen Bakterienpopulationen im Boden.
Ein Transkriptom-Ansatz für die Entwicklung von biologischem Dünger
Um dieses Problem anzugehen, investierte das EU-finanzierte Projekt BIOFERTICELLULASER in bessere Erkenntnisse zu den molekularen Interaktionen zwischen Pflanzen und das Pflanzenwachstum fördernden Bakterien. „Unser Ziel war das Verständnis der Faktoren, die das Pflanzenwachstum durch Bakterien und die Induktion der Stressresistenz fördern“, erklärt Projektkoordinator Pedro F. Mateos. Die Forschenden setzten die Rapspflanze Brassica napus ein, die intensiv als Nahrungsquelle für Mensch und Tier und als bioenergetische Pflanze verwendet wird. Sie entschieden sich für das Pflanzenwachstum fördernde Bakterienstämme, die als Endophyten in Wurzeln überleben können, und so den nachteiligen Auswirkungen äußerer Umweltbedingungen entgehen und höhere Überlebenschancen bei der Anwendung auf Feldern haben. Es wurden insbesondere deren In-vitro-Mechanismen zur Förderung des Pflanzenwachstums getestet, etwa die Natrium- und Kaliumsolubilisierung sowie die Produktion von Siderophoren und Phytohormonen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wählten die besten bakteriellen Endophyten aus und analysierten deren Genomsequenz. Die Genome wurden annotiert und die bakteriellen genetischen Mechanismen erforscht, die potenziell mit der Pflanze interagieren, um deren Entwicklung zu fördern. Im Anschluss an die Evaluation vor Ort wurde ein Bakterienstamm zur Förderung des Pflanzenwachstums ausgewählt, der eine erhebliche Verbesserung des Pflanzenwachstums unter Stressbedingungen sowie Schutz gegen eines der wichtigsten Pilzpathogene bei Rapspflanzen, Leptosphaeria maculans, offerierte. Dieser spezifische Bakterienstamm zur Förderung des Pflanzenwachstums wurde bei der Inokulation der Rapspflanzenwurzeln einer transkriptomischen Analyse unterzogen. Dies führte zur Identifizierung eines Gens, das an der Synthese eines bakteriellen Metaboliten beteiligt ist und das Pflanzenwachstum sowie die Resistenz gegenüber biotischem und abiotischem Stress verbessert. Zur näheren Beleuchtung der Funktionsweise deletierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das Gen und überprüften die Auswirkungen in Bezug auf normale und saline Stressbedingungen, Gewächshaus-Analysen und die Pathogenresistenz.
Die Wirkung von das Pflanzenwachstum fördernder Bakterien als biologischer Dünger
Chemische Düngemittel, die in der Landwirtschaft starke Verwendung finden, bedeuten hohe Umweltkosten, da sie das Wasser und den Boden verunreinigen, viele natürliche Ressourcen verbrauchen und Stickoxidgase mit einem Treibhauseffekt ausstoßen, der den von CO2 um das 300-fache übersteigt. Die Entwicklung umweltverträglicher Düngemittel, welche die Pflanzenproduktion verbessern und zur geringeren Nutzung von gefährlichem chemischem Dünger beitragen, wird gemeinhin befürwortet. Ausgehend von der Fähigkeit, an Stellen in die Pflanze zu gelangen, an denen weniger Konkurrenten sind und an denen Schutz vor abiotischem Stress gegeben ist, wählte BIOFERTICELLULASER Bakterienstämme als biologischen Dünger aus, die das Pflanzenwachstum fördern. Die laufende Arbeit an der Ermittlung anderer Bakteriengene, die an der Interaktion mit der Pflanze beteiligt sind, wird dabei helfen, die Mechanismen für die Toleranz ungünstiger Bedingungen zu beleuchten. Dies wird nicht nur bei der Gestaltung neuer und besserer biologischer Dünger helfen, sondern auch bei der Auswahl von Anbaupflanzen mit einer besseren Fähigkeit zur Toleranz von Stressbedingungen. Mit Blick auf die Zukunft ist Mateos zuversichtlich, dass „das großartige Potenzial des Bakterienstamms, den wir isoliert haben, es wert ist, weiter erforscht zu werden.“ Die Forschenden untersuchen derzeit die Möglichkeit einer Materialübertragungsvereinbarung mit Unternehmen für biologischen Dünger oder eines Patentantrags durch den Bezug weiterer Finanzmittel.
Schlüsselbegriffe
BIOFERTICELLULASER, Bakterien, Stressbedingungen, biologischer Dünger, Ernteertrag, Endophyt, das Pflanzenwachstum fördernd, transkriptomische Analyse
