Helfer bei Trockenheit

Suboptimale Umweltbedingungen können das Pflanzenwachstum behindern. Trockenheit zählt zu diesen einschränkenden Faktoren. Unter sehr trockenen Bedingungen leiden die Pflanzen unter sogenanntem Trockenstress. Obwohl man viel darüber weiß, was Trockenheit in den Pflanzen bewirkt, weiß man jedoch wenig darüber wie sich Wassermangel auf die Bodenbakterien rund um die Pflanzenwurzeln auswirkt. Diese sind allerdings wichtige Verbündete der Pflanzen. Denn Symbiosen mit Bodenbakterien wirken sich – beispielsweise durch eine verbesserte Nährstoffversorgung – vorteilhaft auf das Pflanzenwachstum aus.

Stressfaktor Trockenheit
Können Bodenbakterien das Pflanzenwachstum auch unter trockenen Bedingungen begünstigen? Und haben landwirtschaftliche Praktiken in ariden, also trockenen, Gebieten Auswirkungen auf die bakteriellen Gemeinschaften (auch Mikrobiom genannt)? Diesen Fragen ging ein internationales Forscherteam nun nach.

Um dies zu testen, analysierten die Forscher Bakterien an den Wurzeln von Paprikapflanzen (Capsicum annuum L.), die unter sehr trockenen Bedingungen (in Ägypten) kultiviert wurden. Als Versuchspflanze wählten sie die Paprika, Capsicum annuum, aus, da sie von allen Vertretern der Nachtschattengewächse empfindlich auf Trockenstress reagiert. Allerdings benötigt die Pflanze auch hohe Temperaturen. Eine gute Wasserversorgung und hohe Temperaturen sind somit optimal. Das Zusammentreffen der beiden Faktoren ist zumindest in subtropischen Anbauregionen eher beschränkt. Daher wir Paprika sehr oft in trockenen Gebieten angebaut. Die Paprika ist zudem aufgrund ihrer Relevanz als Nahrungsmittel, wie andere Nachtschattengewächse (Kartoffeln, Tomaten) auch, wirtschaftlich bedeutsam.

Landwirtschaftliche Nutzung ändert das Mikrobiom
Für ihre Untersuchungen entnahmen die Wissenschaftler von den angepflanzten Paprikapflanzen Wurzel- und Bodenproben. Die Pflanzen waren dabei auf Böden gewachsen, die bereits landwirtschaftlich genutzt wurden. Drei Arten von Proben wurden hierbei ausgewertet: Zum einen Wurzelproben des Wurzelgewebes, zum anderen Bodenproben aus der Rhizosphäre, also der direkten Umgebung der Wurzeln sowie von den angrenzenden Bodenschichten, die nicht direkt mit den Wurzeln in Berührung kamen. Sie verglichen diese drei Probenarten jeweils mit Bodenproben, aus ebenfalls trockenen jedoch nicht bewirtschafteten Böden.

Dabei fanden sie heraus, dass sich bakterielle Gemeinschaften an den Wurzeln der Paprikapflanzen durch landwirtschaftliche Praktiken verändern: Die Zusammensetzung der Bakterien aus den unbewirtschafteten Bodenproben unterschied sich deutlich von den Proben, die aus landwirtschaftlich genutzten Böden stammten.

Die verschiedenen Proben waren von unterschiedlichen Bakterienstämmen dominiert. So bestanden die Proben aus den landwirtschaftlich genutzten Böden vorwiegend aus Bakterien der Gattungen Klebsiella und Bacillus. Die Kontrollproben aus landwirtschaftlich nicht genutzten Böden waren dagegen von der Gattung Cellulosimicrobium dominiert (57 Prozent).

Bei den Proben aus den landwirtschaftlich genutzten Flächen waren jedoch Unterschiede erkennbar, je nachdem an welcher Stelle man die Proben genommen hatte. Die Proben der Rhizosphäre (zu 61 Prozent) und der direkten Wurzelumgebung (zu 44 Prozent) waren von der Gattung Klebsiella dominiert, wohingegen die Proben des Wurzelgewebes zu 68 Prozent aus der Gattung Bacillus bestanden.

Bakterien begünstigen das Pflanzenwachstum – auch unter trockenen Bedingungen

Nachdem die Besiedlung des Mikrobioms beschrieben war, untersuchten die Forscher, welche Bakterien für das Pflanzenwachstum förderlich sind und den Pflanzen bei Entwicklung von Toleranzen, d.h. der Anpassung an Stress – z.B. Trockenstress –, behilflich sind. Dabei betrachteten sie Merkmale, wie beispielsweise die Produktion des Wachstumshormons Auxin, die Produktion von Ammoniak (NH3), welches für den Auf- und Abbau von Aminosäuren gebraucht wird, oder die Fähigkeit der Pflanze sich Nährstoffe wie Phosphat nutzbar zu machen.

Von den identifizierten Stämmen, begünstigten Bakterien der Gattungen Bacillus und Klebsiella maßgeblich das Wachstum der Pflanzen und halfen den Pflanzen, sich an den Wassermangel anzupassen. Also die Gattungen, die in den Proben aus landwirtschaftlich genutzten Böden dominierten.

In einem weiteren Schritt entzogen sie Paprikapflanzen, die unter optimalen Bedingungen gezogen worden waren, zwölf Tage lang Wasser. Sie testeten den Effekt der Bakterien, indem eine Gruppe von Pflanzen aktiv mit hilfreichen Bakterien aus der Rhizosphäre ausstattete wurde, die andere quasi Bakterienfrei war. Unter Trockenstress erhöhten die Bakterien die Photosyntheseleistung und die Biomasseproduktion um bis zu 40 Prozent. Dies galt den Forschern als Beweis für die wachstums- und toleranzfördernde Wirkung der Bodenbakterien.

Fazit und Ausblick

Zusammenfassend stellten die Forscher fest, dass in trockenen, bewirtschafteten Gebieten die Anzahl der förderlichen Bakterien im Umfeld der Pflanzenwurzeln anwächst. Die Pflanzen bekommen unter extrem trockenen Bedingungen also Hilfe von Bodenbakterien. Demnach sind Pflanzen kein unabhängiges und für sich genommen autarkes System. Vielmehr müssen diese im Komplex mit ihrer Umwelt und hier im speziellen mit ihrem Mikrobiom betrachtet werden.

Die vorliegende Arbeit zeigt, dass landwirtschaftliche Nutzung bestimmte Bodenbakterien fördert, welche den auf diesen Flächen angebauten Kulturpflanzen helfen, sich besser an den Trockenstress anzupassen. Dadurch können Allianzen mit Bodenbakterien die Erträge der Pflanzen verbessern. Weiß man mehr über die Funktionen der einzelnen Bodenbakterien, könnte man Pflanzen gezielt mit nutzbringenden Bakterienarten in Verbindung bringen, und dadurch die Erträge von Kulturpflanzen steigern. Vor allem bedarf es genauerer Untersuchungen, wie sich unterschiedliche Produktionsmethoden besonders förderliche oder weniger förderlich auswirken. Auch der Einsatz von Pflanzenschutzmitteln müsste unter diesen Gesichtspunkten untersucht werden, so dass gezielt Maßnahmen, welche die Pflanzen und deren Mikrobiom fördern, entwickelt werden.
Quelle:
Marasco R. et al. (2012): A Drought Resistance-Promoting Microbiome Is Selected by Root System under Desert Farming. In: PLoS ONE 7(10): e48479, 31. Oktober 2012, doi:10.1371/journal.pone.0048479.