Boden, Pflanze, Mikrobiom

Über das Mikrobiom die Pflanze stärken. Eine Vision wird konkret

Mikrobiom-Forschung liegt im Trend. Universitäten und Unternehmen investieren in die Erforschung der Kleinstlebewesen und ihren Einfluss auf die Pflanzengesundheit. Das ehrgeizige Ziel: Das Mikrobiom so zu optimieren, dass Dünger und Pflanzenschutzmittel auf dem Acker überflüssig werden. Noch weiß man nicht sehr viel über das komplexe Zusammenspiel von Mikroorganismen und Pflanze. Dennoch sind schon einige Produkte auf dem Markt.

In der Erde, an den Wurzeln von Pflanzen, aber auch in Pflanzen und an ihrer Oberfläche leben Milliarden von Mikroorganismen. Sie bilden komplexe Lebensgemeinschaften, in denen einzelne Pilz- und/oder Bakterienarten miteinander konkurrieren und bestimmte Funktionen ausüben. Die Gesamtheit aller Mikroorganismen in einem bestimmten Lebensraum nennt man Mikrobiom.

Mikroorganismen Kultur auf Agarplatte

Viele Bakterien und Pilze wachsen auf einem Nährboden aus Agar. Diese hier stammen aus einer Handvoll Erde.

Foto: MPIPZ Köln

Arabidopsis-Pflänzchen auf phosphatarmem Nährboden mit und ohne Pilz

Arabidopsis-Pflänzchen wachsen besser, wenn man einer Nährlösung mit wenig Phosphat einen bestimmten Pilz zugibt. Der Phosphat-Mangel bewirkt, dass die Pflanzen klein bleiben (links). Der Pilz hift den Pflanzen, das wenige Phosphat besser zu nutzen (rechts).

Heute weiß man, dass das Mikrobiom auf vielfältige Weise mit Pflanzen interagiert. Unter den unzähligen Mikroorganismen gibt es solche, die für die Pflanze schädlich sind, aber auch viele, die die Pflanze vor Krankheiten und Schädlingen schützen oder ihr bei der Stressbewältigung helfen. Andere sind für das Wachstum der Pflanze von Bedeutung. So tragen viele Mikroorganismen zur Nährstoffversorgung bei. Bekanntes Beispiel sind die Wurzelknöllchenbakterien, die eine Symbiose mit Leguminosen wie Bohne, Erbse oder Lupine eingehen und die Pflanze mit Stickstoff versorgen – im Austausch gegen Zucker. Ein Zusammenspiel mit wechselseitigem Nutzen.

Wie das Mikrobiom sich zusammensetzt, hängt unter anderem von diesem Zusammenspiel zwischen Pflanze und Mikroorganismen ab. So bilden Pflanzen eine Vielzahl von chemischen Signalstoffen, wodurch sich bestimmte „ausgewählte“ Mikroorganismen ansiedeln. Solche Signalstoffe spielen auch eine wichtige Rolle bei der Abwehr von Krankheitserregern oder Fraßfeinden.

Die Erforschung des Mikrobioms hat in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen. Das große Ziel ist es, das Mikrobiom wichtiger Kulturpflanzen so zu beeinflussen und zu optimieren, dass zukünftig der Einsatz synthetischer Dünger und Pflanzenschutzmittel verringert oder ganz überflüssig wird.

Zunächst ist aber noch viel Grundlagenforschung nötig, um einzelne Mikroorganismen in ihrer Wirkung auf die Pflanze und die genetischen Grundlagen hierfür zu untersuchen. Darüberhinaus geht es aber auch darum, das Zusammenspiel der vielen verschiedenen Mikroorganismen untereinander und im Wechselspiel mit der Pflanze zu verstehen. So haben beispielsweise Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung herausgefunden, dass ein bestimmter Pilz (Colletotrichum tofieldiae) der Pflanze bei der Aufnahme von Phosphat helfen kann. Phosphor ist ein wichtiger Nährstoff für die Pflanze und eine bessere Aufnahme des im Boden vorhandenen Phosphors könnte den Einsatz von Dünger reduzieren. In einem nächsten Schritt wird es nun darum gehen, zu überprüfen, ob die gesteigerte Phosphataufnahme auch im Feld funktioniert, wenn viele andere Mikroorganismen mit ins Spiel kommen. Möglicherweise hebt sich die Wirkung dann auf oder verkehrt sich ins Gegenteil. So ist etwa bekannt, dass viele andere Arten dieses Pilzes Pflanzen-Pathogene sind.

Mikrobiome so genau untersuchen und analysieren zu können, ist erst durch neue Techniken möglich geworden. Konnte man früher nur diejenigen Mikroorganismen nachweisen, die sich auf Nährböden kultivieren ließen, so kann man heute das gesamte Mikrobiom erfassen mit Hilfe von DNA-Sequenzierern, die in Hochdurchsatz-Geschwindigkeit arbeiten, und neuesten mikroskopischen Methoden, mit denen man einzelne Arten sichtbar machen kann.

Biologicals und Probiotics auch für Pflanzen

Zahlreiche Forschungsinstitute, große Unternehmen und kleinere Startups arbeiten schon daran, das Pflanzen-Mikrobiom zu optimieren. Es gibt einige viel versprechende Versuche, Saatgut mit nützlichen Mikroorganismen – sogenannten Biologicals - zu ummanteln (Coating). So hat beispielsweise die KWS Saat SE Zuckerrübensaatgut entwickelt, welches mit einer Kombination aus verschiedenen Bakterienstämmen umhüllt ist, die bei Trockenheit und auf wenig fruchtbaren Böden den Ertrag erhöhen können. Nach der Aussaat vermehren sich die Bakterien im feuchten Boden, besetzen den Lebensraum rund um das Saatgutkorn und bilden bestimmte Stoffwechselprodukte, die die Keimlinge vor abiotischem Stress und schädlichen Pilzen schützen. In Russland und Serbien wird dieses Saatgut bereits erfolgreich verwendet.

Auch die Firma Indigo ummantelt Saatgut mit Mikroorganismen, die das Wachstum der Pflanzen unterstützen. Mit aufwändigen Screening-Verfahren wird unter den Milliarden von Mikroorganismen gezielt nach nützlichen Arten gesucht. Das erste kommerzielle Produkt von Indigo ist eine Baumwolle, deren Saatgut vor Trockenstress geschützt ist. Das mit einem bestimmten Mix aus Mikroben ummantelte Saatgut führte laut Firmenangaben 2016 in der wasserarmen Region West Texas zu einer Ertragssteigerung von elf Prozent. Inzwischen verkauft die Firma auch ähnlich behandeltes Saatgut von Sojabohne, Reis, Weizen und Mais.

Es gibt auch bereits Produkte auf dem Markt, die wie Dünger auf den Boden ausgebracht werden. Solche Mittel - wie beispielsweise Holganix - enthalten sogenannte Probiotics, einen Mix aus nützlichen Mikroorganismen, die Pflanzenwachstum und -gesundheit fördern und den Einsatz von chemischen Pflanzenschutzmitteln überflüssig machen sollen.

Mit Hilfe der Synthetischen Biologie Mikroorganismen gezielt zu optimieren, ist ein weiterer Ansatz, den etwa Bayer Crop Science verfolgt. In Zusammenarbeit mit dem Spezialisten für synthetische Biologie Gingko Bioworks hat Bayer das Startup-Unternehmen Joyn Bio gegründet unter anderem mit dem Ziel, Stickstoff-fixierende Bakterien so zu verändern, dass sie auch andere Kulturarten wie Mais oder Weizen besiedeln und mit Stickstoff versorgen.

Um die Gene ausfindig zu machen, die für die Stickstofffixierung von Bedeutung sind, müssen zunächst Mikroorganismen-Datenbanken nach Bakterien durchsucht werden, die in der Lage sind, Stickstoff zu fixieren. Im Labor sollen die entsprechenden Gene dann gezielt zusammengesetzt und in das Genom geeigneter Mikroorganismen eingebaut werden. Den komplexen Stoffwechselweg der Stickstofffixierung nachzubauen, ist allerdings schwierig, da zahlreiche Gene daran beteiligt sind. Damit die maßgeschneiderten Bakterien die Zielpflanzen erreichen, sollen auch hier die Samen mit den Mikroorganismen ummantelt werden, so dass sie nach der Aussaat aktiv werden können. Wie solche Design-Bakterien reguliert werden, wenn sie denn in etwa fünf Jahren auf den Markt kommen sollten, ist allerdings noch völlig offen.

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