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Wachstumsfördernde Bakterien helfen Nutzpflanzen, sich gegen Trockenheit zu wappnen

Wachstumsfördernde Bakterien helfen Nutzpflanzen Trockenheit
Weltweit sind viele intensiv angebaute Nutzpflanzen wenig tolerant gegenüber andauernder Trockenheit, so dass zunehmende Ernteeinbußen und Versorgungsengpässe bei einer gleichzeitig wachsenden Weltbevölkerung drohen. Solche oft wochenlang andauernden Trockenphasen, die seit einigen Jahren vermehrt auch im Binnenland und an den Küsten Mitteleuropas auftreten, entwickeln sich zu einem gravierenden Problem für die Landwirtschaft. Ein CAU-Forschungsteam vom Institut für Allgemeine Mikrobiologie (IfAM) hat in einer umfangreichen Metaanalyse zahlreicher wissenschaftlicher Arbeiten der vergangenen Jahre den aktuellen Stand der Pflanzenforschung untersucht, um besonders vielversprechende Ansätze gegen pflanzlichen Trockenstress bestimmen zu können. © Lindhof, Uni Kiel

Forschende warnen im Zuge des Klimawandels vor künftig immer häufiger auftretenden Extremwetterereignissen wie Stürme, Überflutungen und langanhaltenden Dürreperioden. Solche oft wochenlang andauernden Trockenphasen, die seit einigen Jahren vermehrt auch im Binnenland und an den Küsten Mitteleuropas auftreten, entwickeln sich zu einem gravierenden Problem für die Landwirtschaft. Viele intensiv angebaute Nutzpflanzen weltweit sind wenig tolerant gegenüber andauernder Trockenheit, so dass zunehmende Ernteeinbußen und Versorgungsengpässe bei einer gleichzeitig wachsenden Weltbevölkerung drohen.

Forschende vom Institut für Allgemeine Mikrobiologie (IfAM) an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben nun in einer umfangreichen Metaanalyse zahlreicher wissenschaftlicher Arbeiten der vergangenen Jahre den aktuellen Stand der Pflanzenforschung untersucht, um besonders vielversprechende Ansätze gegen pflanzlichen Trockenstress bestimmen zu können. Insgesamt zeigte der Vergleich verschiedener Wachstumsparameter, dass das Einbringen von bakteriellen Symbionten deutlich stärker als Pilze eine wachstumsfördernde Wirkung unter Trockenheitsbedingungen zeigt. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Kieler Forschenden kürzlich in der Fachzeitschrift Physiologia Plantarum.

Endophytische Bakterien und Pilze schützen Nutzpflanzen gegen Trockenheit

Grundsätzlich bestehen verschiedene Möglichkeiten, die pflanzliche Reaktion auf Wassermangel zu beeinflussen, etwa in der gezielten Veränderung bestimmter für die Trockenheitstoleranz verantwortlicher Gene. Ein wichtiger, technologisch weniger aufwändiger und umweltverträglicher Ansatz besteht in der Anwendung bestimmter pflanzenwachstumsfördernder, endophytischer Mikroorganismen: Dabei werden bei der sogenannten Inokulation endophytische, also im Innern der Pflanze gedeihende Bakterien und Pilze, in Nutzpflanzen eingebracht. Dazu können Saatgut, Blätter oder Wurzeln behandelt werden, indem diese zum Beispiel in eine Mikroorganismenlösung eingetaucht werden. Sobald diese im Wirtsorganismus aktiv sind, können sie auf verschiedenen Wegen bei der Anpassung an trockene Wachstumsbedingungen helfen. Sie umfassen beispielsweise eine verbesserte Nährstoffaufnahme der Pflanzen, die Regulation bestimmter mit dem Wachstum verknüpfter Pflanzenhormone oder Eingriffe in die Steuerung der Wasseraufnahme.

Zahlreiche Forschungsarbeiten haben in den vergangenen Jahren über den Nutzen solcher endophytischer Mikroorganismen berichtet, die zur Verbesserung der Dürreresistenz von Nutzpflanzen dienen können. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Institut für Allgemeine Mikrobiologie aus der Arbeitsgruppe um Mikrobiologin Professorin Ruth Schmitz-Streit verglichen auf Grundlage von rund 170 wissenschaftlich, zwischen 2010 und 2021 publizierten Experimenten und Studien die pflanzenwachstumsfördernde Wirkung solcher Bakterien und Pilze und identifizierten die verschiedenen Prozesse, durch die sie das Pflanzenwachstum unter Trockenstress stimulieren.

„Wir wollten aufgrund der bestehenden Literatur herausfinden, welche Prozesse hinter der Stressreduktion stehen und welche Methode die größte Wirksamkeit zeigt“, sagt Dr. Muhammad Aammar Tufail, Erstautor der Studie und Wissenschaftler in Schmitz-Streits Arbeitsgruppe. Dazu haben die Forschenden Daten aus einer Vielzahl von Studien kombiniert, um anhand von einheitlichen Wachstums-Parametern wie beispielsweise dem Zuwachs an Biomasse, der Messung der Blattoberfläche oder dem Chlorophyllgehalt die Effekte der Inokulation mit Bakterien und Pilzen bilanzieren zu können. „Aus unserer globalen Betrachtung lässt sich ableiten, dass die Wirkung der Inokulation mit endophytischen Bakterien anhand unserer Wachstumskriterien mindestens doppelt so groß ist und sie daher deutlich effizienter als Pilze den Trockenstress bei landwirtschaftlichen Pflanzen abmildern können“, so Tufail.

Anwendungspotenzial für die Landwirtschaft

„Mit unserer umfangreichen Metaanalyse beleuchten wir wichtige konzeptionelle Grundlagen für eine weitere Erforschung von Mikroorganismen als Pflanzeninokulantien in der nachhaltigen Landwirtschaft“, betont Co-Autorin Schmitz-Streit, die als IfAM-Direktorin im CAU-Forschungsschwerpunkt Kiel Marine Science (KMS) aktiv ist. „Damit leisten wir einen wichtigen Beitrag, um die vielversprechenden, auf Bakterien beruhenden Verfahren hinsichtlich ihrer Wirksamkeit zu analysieren und weiterzuentwickeln. Weitere Forschungsarbeiten müssen klären, ob sich solche experimentellen Effekte auf das Pflanzenwachstum auch auf die praktische Anwendung in der Landwirtschaft übertragen lassen, um in besonders von Dürre bedrohten Regionen der Welt künftig kostengünstig und unaufwändig trockenheitstolerantere Nutzpflanzen hervorzubringen.“

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel


Originalpublikation:

Muhammad Aammar Tufail, Muhaimen Ayyub, Muhammad Irfan, Awais Shakoor, Cynthia Maria Chibani, Ruth A. Schmitz (2022): Endophytic bacteria perform better than endophytic fungi in improving plant growth under drought stress: A meta-comparison spanning 12 years (2010–2021). Physiologia Plantarum. First Published: 22.10.2022. DOI: 10.1111/ppl.13806