Mit ihrer Mikrobiom-Expertise konnten die Forschenden des Instituts für Umweltbiotechnologie nachweisen, wie ein bestimmtes Bakterium im Sameninneren von Reispflanzen zerstörerische Pflanzenpathogene wirksam und umweltfreundlich hemmt.
Reis ist für etwa die Hälfte der Weltbevölkerung das Hauptnahrungsmittel. Der Anbau der Reispflanze ist sehr wasserintensiv und erfolgt zudem laut Welthungerhilfe zu rund 15 Prozent in Gebieten mit hohem Dürrerisiko. Die steigende Erderwärmung wird für den Reisanbau daher zunehmend problematisch und führt immer öfter zu geringen Ernten und Hungerkrisen. Ernteausfälle durch Pflanzenpathogene verschärfen die Situation zusätzlich. Hier versucht die konventionelle Landwirtschaft mit Pestiziden entgegenzusteuern, die zumeist vorsorglich bei der Reiskultivierung eingesetzt werden. Resistente Pflanzenzüchtungen sind die einzige Alternative zu diesen umweltschädlichen Mitteln – und derzeit nur mäßig erfolgreich. Sind die Pflanzen dank ihrer Züchtung resistent gegen ein Pathogen, werden sie meist anfälliger für andere Pathogene oder sind weniger robust unter widrigen Umweltbedingungen.
Bakterium führt zu Pathogenresistenz
Eine internationale Forschungsgruppe unter Beteiligung des Instituts für Umweltbiotechnologie der TU Graz untersucht daher seit einiger Zeit das Mikrobiom von Reispflanzensamen, um Korrelationen zwischen der Pflanzengesundheit und dem Vorkommen bestimmter Mikroorganismen festzustellen. Die Gruppe erzielte nun einen großen Durchbruch: Sie identifizierte ein Bakterium im Sameninneren, das zu vollständiger Resistenz gegen ein bestimmtes Pathogen führen kann und auf natürliche Weise von einer Pflanzengeneration auf die andere übertragen wird. Die im Fachjournal Nature Plants veröffentlichten Erkenntnisse bieten eine vollständig neue Basis, um biologische Pflanzenschutzmittel zu designen und zusätzlich Biotoxine, die von Pflanzenpathogenen gebildet werden, zu reduzieren.
Das Mikrobiom von Reis
Beim konventionellen Reisanbau in der chinesischen Provinz Zhejiang wurde beobachtet, dass bei einem Genotyp von Reispflanzen (Kultivar Zhongzao 39) manchmal Resistenzen gegenüber dem Pflanzenpathogen Burkholderia plantarii auftauchen. Dieses Pathogen führt zu Ernteausfällen und produziert zudem ein Biotoxin, das bei fortdauernd exponierten Menschen und Tieren zu Organschäden und Tumoren führen kann. „Bis dato ließ sich die vereinzelt auftretende Resistenz der Reispflanzen gegenüber diesem Pathogen nicht erklären“, sagt Tomislav Cernava vom Institut für Umweltbiotechnologie der TU Graz. Gemeinsam mit der Koryphäe der Mikrobiomforschung und Institutsleiterin Gabriele Berg und seinem Institutskollegen Peter Kusstatscher hat Cernava daher im Rahmen einer Kooperation mit den chinesischen Universitäten Zhejiang (Hangzhou) und Nanjing sowie mit der japanischen Hokkaido University in Sapporo das Mikrobiom von Reissamen aus verschiedenen Regionen im Detail untersucht.
Bakterienzusammensetzung als entscheidender Faktor
Die Wissenschafterinnen und Wissenschafter stellten fest, dass die resistenten Pflanzen eine andere Bakterienzusammensetzung im Sameninneren haben als die krankheitsanfälligen Pflanzen. Besonders die bakterielle Gattung Sphingomonas war signifikant häufiger in resistenten Samen zu finden. Die Forschenden haben daher Bakterien dieser Gattung aus den Samen isoliert und das Bakterium Sphingomonas melonis als Wirkungsträger identifiziert. Dieses Bakterium produziert eine organische Säure (Anthranilsäure), die das Pathogen lähmt und dadurch unschädlich macht. „Das funktioniert auch, wenn das isolierte Sphingomonas melonis auf nicht-resistente Reispflanzen aufgebracht wird. Sie werden dadurch automatisch gegen das Pflanzenpathogen Burkholderia plantarii resistent“, erklärt Tomislav Cernava. Zusätzlich etabliert sich das Bakterium in bestimmten Reis-Genotypen und wird dann auf natürliche Weise von einer Pflanzengeneration auf die nächste weitergetragen. „Das Potential dieser Erkenntnis ist enorm. In Zukunft wird man auf diese Strategie zurückgreifen können, um Pestizide in der Landwirtschaft zu reduzieren und gleichzeitig gute Ernteerträge zu erzielen“, betont Cernava.
Ergänzung: Diese Forschung ist an der TU Graz im Field of Expertise „Human & Biotechnology“ verankert, einem von fünf strategischen Schwerpunktfeldern.
Originalpublikation:
Haruna Matsumoto, Xiaoyan Fan, Yue Wang, Peter Kusstatscher, Jie Duan, Sanling Wu, Sunlu Chen, Kun Qiao, Yiling Wang, Bin Ma, Guonian Zhu, Yasuyuki Hashidoko, Gabriele Berg, Tomislav Cernava1, Mengcen Wang1: „Bacterial seed endophyte shapes disease resistance in rice“,
Nature Plants, January 2021. DOI: 10.1038/s41477-020-00826-5
