Widerstandsfähiger Reis: Bakterium schützt Reispflanze vor Erkrankung

11. Januar 2021 - 10:59

Für etwa die Hälfte der Weltbevölkerung ist Reis ein zentrales Nahrungsmittel. Dürre, aber auch Pflanzenschädlinge wie das Bakterium Burkholderia plantarii können zu gravierenden Ernteausfällen führen. Eine internationale Forschungsgruppe unter Beteiligung des Instituts für Umweltbiotechnologie der TU Graz hat herausgefunden, wie ein Bakterium einer anderen Gattung den Krankheitserreger umweltfreundlich unschädlich macht.

Zentrales Nahrungsmittel für die Hälfte der Weltbevölkerung
Zentrales Nahrungsmittel für die Hälfte der Weltbevölkerung

Die konventionelle Landwirtschaft versucht bei der Reiskultivierung mit meist vorsorglich eingesetzten Pestiziden gegen eine Vielzahl von Pflanzenschädlingen vorzugehen. Als Alternative zu diesen teils nur mäßig erfolgreichen und teils auch umweltschädlichen Substanzen werden Pflanzenzüchtungen eingesetzt, die gegen die Krankheitserreger resistent sind. Es hat sich aber mittlerweile gezeigt, dass solche Pflanzen dann zwar gegen ein Pathogen widerstandsfähiger sind, aber anfälliger gegen andere Erreger, bzw. unter ungünstigen Umweltbedingungen weniger robust werden können.

Das internationale Forscherteam, dem Experten des Instituts für Umweltbiotechnologie der TU Graz angehören, hat daher das Mikrobiom von Reispflanzensamen genau untersucht, um Zusammenhänge zwischen der Pflanzengesundheit und dem Vorkommen bestimmter Mikroorganismen herauszufinden. Jüngst haben die Forscher 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, identifiziert. Ihre Erkenntnisse haben sie in der jüngsten Ausgabe des Wissenschaftsmagazins "Nature Plants" publiziert. Laut Mitteilung der TU Graz handle es sich dabei um einen "großen Durchbruch". Die Erkenntnisse würden eine vollständig neue Basis bieten, um biologische Pflanzenschutzmittel zu designen und zusätzlich Biotoxine, die von Pflanzenpathogenen gebildet werden, zu reduzieren.

Ernteausfälle durch Resistenzen

Ausgangspunkt der Forscher war die Beobachtung, dass in der chinesischen Provinz Zhejiang bei einem Genotyp von Reispflanzen (Kultivar Zhongzao 39) manchmal Resistenzen gegenüber dem Pflanzenpathogen Burkholderia plantarii auftauchen, die zu Ernteausfällen führen. Zudem produziert das gramnegative Bodenbakterium ein Toxin, 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. Er hat gemeinsam mit Institutsleiterin Gabriele Berg und seinem Institutskollegen Peter Kusstatscher im Rahmen einer Kooperation mit den chinesischen Universitäten Zhejiang (Hangzhou) und Nanjing sowie der japanischen Hokkaido University (Sapporo) das Mikrobiom - also die Gemeinschaft der vorkommenden Mikroorganismen - von Reissamen aus verschiedenen Regionen im Detail erhoben.

Die Gruppe stellte fest, dass resistente Pflanzen eine andere Bakterienzusammensetzung im Inneren der Samenkörner haben, als die krankheitsanfälligen Pflanzen. In den widerstandsfähigen Samen war vor allem die bakterielle Gattung Sphingomonas signifikant häufiger vorhanden. Nachdem die Forschenden Bakterien dieser Gattung aus den Samen isolierten, haben sie das Bakterium Sphingomonas melonis als Wirkungsträger identifiziert. Dieses Bakterium produziert laut den Forschern 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", schilderte Tomislav Cernava die bisherigen Ergebnisse. Das Bakterium kann sich in bestimmten Reis-Genotypen etablieren und wird dann auf natürliche Weise von einer Pflanzengeneration auf die nächste weitergetragen. Cernava schätzte das Potenzial dieser Entdeckung als "enorm" ein: "In Zukunft wird man auf diese Strategie zurückgreifen können, um Pestizide in der Landwirtschaft zu reduzieren und gleichzeitig gute Ernteerträge zu erzielen", wie der Forscher erklärte.

Service: Haruna Matsumoto, Xiiaoyan Fan, Yue Wang, Peter Kusstatscher, Tomislav Cernava et al.: "Bacterial seed endophyte shapes disease resistance in rice", Nature Plants, 2020. DOI: 10.1038/s41477-020-00826-5 https://www.nature.com/articles/s41477-020-00826-5

(APA/red, Foto: APA/Mengcen Wang)

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