Bioprospecting and characterization of Trichoderma and Bacillus species as biocontrol agents against Macrophomina phaseolina in maize

In der verborgenen Welt unter der Erde spielt sich jeden Tag ein stiller Überlebenskampf ab. Pflanzen sind auf ein komplexes Netzwerk aus mikroskopisch kleinen Verbündeten und Feinden angewiesen, um zu gedeihen. Einige dieser mikroskopischen Organismen sind hilfreich, indem sie die Wurzeln vor Krankheiten schützen oder ihnen helfen, Nährstoffe aufzunehmen, während andere zerstörerische Pathogene sind, die ganze Ernten vernichten können. Eine solche zerstörerische Kraft ist ein Pilz, der im Boden lebt und die Wurzeln von Mais angreift, was eine Krankheit namens Kohlenbrand verursacht. Dieser Pilz ist besonders schwer zu bekämpfen, da er winzige, widerstandsfähige Überlebensstrukturen produziert, die es ihm ermöglichen, jahrelang im Boden zu bestehen, und es gibt derzeit keine starken chemischen Behandlungen oder resistenten Pflanzensorten, die ihn zuverlässig stoppen können. Wenn dieser Pilz erst einmal Fuß gefasst hat, raubt er der Pflanze Wasser und Nährstoffe, was zu erheblichen Verlusten in der Lebensmittelproduktion führt. Einen Weg zu finden, diesen Pilz zu stoppen, ohne auf harte Chemikalien zurückzugreifen, ist ein entscheidendes Ziel für Landwirte und Wissenschaftler gleichermaßen.

Um dieses Problem anzugehen, wandten die Forscher ihre Aufmerksamkeit auf das körpereigene Verteidigungssystem der Natur und suchten nach mikroskopischen Organismen, die den Pilz nach seinen eigenen Regeln bekämpfen könnten. Sie begannen damit, eine große Sammlung von neunundfünfzig verschiedenen bakteriellen und fungalen Proben aus der Umgebung zu sammeln. Diese Proben wurden einem strengen Screening-Prozess im Labor unterzogen, um zu sehen, welche davon das Wachstum des Kohlenbrand-Pilzes effektiv stoppen konnten. Die Wissenschaftler suchten nach spezifischen Eigenschaften: der Fähigkeit, den Pilz direkt anzugreifen, der Kapazität, chemische Signale freizusetzen, die sein Wachstum hemmen, und dem Potenzial, die Maispflanzen stärker wachsen zu lassen. Aus dieser ursprünglichen Gruppe gingen vier spezifische Kandidaten als die vielversprechendsten hervor: zwei Arten eines nützlichen Pilzes namens Trichoderma und zwei Arten nützlicher Bakterien namens Bacillus.

Die Forscher untersuchten daraufhin genau, wie diese vier Kandidaten gegen den Kohlenbrand-Pilz wirkten. Sie entdeckten, dass die beiden Trichoderma-Arten wie aggressive Konkurrenten agierten. Sie umschlangen den schädlichen Pilz physisch, verzehrten ihn und nahmen den gesamten verfügbaren Raum sowie die Nährstoffe ein, sodass der Eindringling nicht überleben konnte. Sie setzten auch chemische Verbindungen frei, sowohl solche, die an einem Ort bleiben, als auch solche, die durch die Luft schweben, was den Pilz zusätzlich unterdrückte. Die Bacillus-Bakterien wählten einen etwas anderen Ansatz, indem sie sich stark auf die Freisetzung starker chemischer Verbindungen verließen, die durch die Luft und den Boden reisten, um das Wachstum des Pathogens zu hemmen. In jedem Fall waren diese nützlichen Organismen in der Lage, die Ausbreitung des Kohlenbrand-Pilzes in kontrollierten Tests signifikant zu verlangsamen oder zu stoppen.

Über den bloßen Kampf gegen den Feind hinaus untersuchten die Forscher auch, wie diese nützlichen Organismen die Maispflanzen selbst beeinflussten. Als die Forscher diese vier Kandidaten auf gesunde Maiskeimlinge anwendeten, beobachteten sie eine deutliche Steigerung des Wachstums. Alle vier Organismen halfen den Pflanzen, größere Wurzelsysteme zu entwickeln, die essenziell sind, um die Pflanze zu verankern und Wasser zu sammeln. Zwei der Kandidaten, einer aus der Trichoderma-Gruppe und einer aus der Bacillus-Gruppe, halfen den Pflanzen zudem, oberirdisch größer und kräftiger zu wachsen. Dies deutet darauf an, dass diese Organismen mehr tun, als die Pflanze nur zu schützen; sie helfen ihr aktiv, stärker und vitaler zu werden.

Das letzte Puzzleteil bestand darin, zu verstehen, wie diese Organismen den Pflanzen halfen, sich von innen heraus zu verteidigen. Die Forscher maßen die Aktivität spezifischer Enzyme innerhalb der Pflanzenzellen, die als Teil des Immunsystems der Pflanze fungieren. Sie fanden heraus, dass die Behandlung der Pflanzen mit diesen nützlichen Organismen eine biochemische Reaktion auslöste. Einige Behandlungen erhöhten die Aktivität von Enzymen, die Zellen vor Stress schützen, während andere Enzyme stimulierten, die der Pflanze helfen, natürliche Abwehrstoffe zu produzieren. Dies deutet darauf hin, dass die nützlichen Organismen nicht nur als Schild fungieren, sondern auch die Pflanze lehren, wachsamer zu sein und bereit zu sein, die Krankheit aus eigener Kraft zu bekämpfen.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass der Erfolg dieser vier spezifischen Organismen in einer Kombination von Strategien liegt. Sie wirken, indem sie den schädlichen Pilz direkt angreifen, indem sie der Pflanze helfen, größer und gesünder zu wachsen, und indem sie die internen Abwehrmechanismen der Pflanze stärken. Dieser vielschichtige Ansatz bietet einen vielversprechenden Weg zur Bewältigung des Kohlenbrands in Mais und stellt eine natürliche Alternative zu chemischen Behandlungen dar. Obwohl die Forschung in einer kontrollierten Umgebung durchgeführt wurde, deuten die Ergebnisse darauf hin, dass diese spezifischen Stämme von Trichoderma und Bacillus eine entscheidende Rolle beim Schutz von Nutzpflanzen spielen könnten, indem sie den Boden selbst in eine Quelle des Schutzes statt der Krankheit verwandeln.