Stressresistenter Weizen mit Lösungen in der Rhizosphäre
Der Klimawandel und die wachsende Weltbevölkerung sind kritische Herausforderungen für die Nahrungsmittelerzeugung. Die Welt ist auf zuverlässige Grundnahrungsmittel angewiesen, die klimabedingten Stressfaktoren wie Hitze, Salzgehalt, Überschwemmung und Dürre standhalten können. Im Projekt RhizoEng, das mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen durchgeführt wurde, ist erforscht worden, wie die Signalwege zwischen Sekreten der Weizenwurzeln und günstigen Mikroben im Boden zu zäheren Pflanzen beitragen können.
Eine synthetische Gemeinschaft in der Rhizosphäre
Die Rhizosphäre ist der Bereich im Boden, in dem die Stoffwechselfunktionen einer Pflanze mit den umgebenden Mikroorganismen interagieren. Pflanzen geben Sekrete wie Aminosäuren, organische Säuren und Zucker in den Boden ab, in dem die Wurzelexsudate als chemische Signale dienen, die Mikroben anlocken. Aus dieser natürlichen Symbiose leitet das RhizoEng-Team die These ab, dass mit einer durch Rhizosphären-Engineering – der Manipulation mikrobieller Konsortien bei den Wurzelexsudaten – erstellten synthetischen Gemeinschaft zähere, dürrebeständige Weizenstämme gezüchtet werden könnten. Um diese Theorie zu testen, hat das RhizoEng-Team die Wurzelexsudate in der natürlichen Bodenmatrix sorgfältig dokumentiert, um eine standardisierte und systematische Pipeline zur Extraktion dieser Sekrete zu entwickeln. Außerdem wurde eine erste Vorauswahl günstiger und reaktiver Mikrobenstämme durchgeführt. Der Stipendiat der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen Ajay Madhusudan Sorty bemerkt: „Mit diesem Ansatz können wir spezifische Mikrobenstämme zusammen mit Bestandteilen der Wurzelexsudate als Signalmoleküle bereitstellen, um das Vorhandensein der beimpften Stämme nahe der Wurzelzone sicherzustellen.“
Interdisziplinäre Experimente im Gewächshaus
Die chemische Ökologie – insbesondere Rhizosphären-Engineering – ist ein Forschungsgebiet im Aufschwung. Im Projekt wurden Informationen und Ansätze aus verschiedenen Disziplinen eingesetzt, darunter Mikrobiologie, Pflanzenwissenschaft, Molekularbiologie und Molekularökologie, um die Wissenslücke zu den Wechselwirkungen zwischen Wirt und Mikroben im Boden zu schließen und ein nützliches Instrument für den Pflanzenbau zu erstellen. Die Projektergebnisse wurden bei zwei minutiös geplanten Experimenten in Gewächshäusern gesammelt. Im ersten Experiment wurden Eigenschaften der Wurzelexsudate von Weizen im natürlichen Boden bei Dürre bestimmt. Im zweiten Versuch wurden die Reaktionen von Mikroben untersucht, die günstig für Weizen sind. Sorty kommentiert zu den Ergebnissen der Experimente: „Die Zugabe von synthetischen Wurzelexsudaten als Signalgeber zur Kolonisierung stärkt bei Stressbedingungen die chemische Ökologie der Rhizosphäre. Der Ansatz ist also ein solides Mittel, Weizenrhizosphären vor stressbedingter Dysbiose zu schützen, also vor einem Ungleichgewicht im Mikrobiom.“
Die Zukunft des Rhizosphären-Engineering
Das RhizoEng-Team hat erstmals die Signalwege der Weizenwurzelexsudate bei Dürre beschrieben. Mit dem innovativen Ansatz des Rhizosphären-Engineering wird die Bedeutung der chemischen Ökologie für dürrebeständigen Pflanzenbau deutlich. Auf kurze Sicht werden die vielversprechenden Versuchsergebnisse aus dem Projekt mit der akademischen und wissenschaftlichen Gemeinschaft geteilt, um die technologischen Maßnahmen gegen abiotischen Stress bei Pflanzen zu entwickeln. Die nächsten mittel- bis langfristigen Schritte umfassen den Ausbau der Strategie zum Rhizosphären-Engineering für eine breitere Anwendung und die Prüfung der Wirksamkeit bei anderen Nutzpflanzen. Sorty betont: „Wir konnten erfolgreich Exsudate bestimmen, die günstige Gegenreaktionen bei stressmindernden Mikroben aktivieren, um die positiven Wechselwirkungen mit den Wirtspflanzen insgesamt zu stärken.“ Dieses positive Ergebnis sollte weiterverfolgt werden. Eine stabile Nahrungsmittelversorgung bei ungünstigen Bedingungen ist eine drohende Herausforderung für die Menschheit. Die Ergebnisse aus RhizoEng könnten ein möglicher Weg in die Zukunft sein.
Schlüsselbegriffe
RhizoEng, Rhizosphäre, Rhizosphären-Engineering, Weizen, dürrebeständig, Wurzelexsudate, günstige Mikroben, synthetische Gemeinschaft, Gewächshausexperimente, chemische Ökologie
