Endophytic entomopathogenic fungi remodel phyllosphere microbiome and metabolome to suppress Spodoptera frugiperda and enhance parasitoid biocontrol

In den weiten Feldern der Landwirtschaft sind Pflanzen nicht bloß passive Opfer hungriger Insekten; sie sind aktive Teilnehmer an einem komplexen chemischen Krieg. Wenn eine Pflanze angegriffen wird, reagiert sie oft, indem sie Abwehrverbindungen produziert oder ihre interne Chemie verändert, um sie selbst weniger appetitlich oder giftiger für den Eindringling zu machen. Pflanzen führen diese Kämpfe jedoch nicht allein aus. Sie beherbergen Gemeinschaften mikroskopisch kleiner Organismen auf ihren Blättern und innerhalb ihres Gewebes, die als Mikrobiom bekannt sind. Diese winzigen Bewohner können den Gesundheitszustand der Pflanze beeinflussen, indem sie manchmal deren Wachstum fördern oder ihr helfen, Krankheiten zu widerstehen. Wissenschaftler haben sich lange gefragt, ob wir diese natürlichen Verbündeten nutzen könnten, um Nutzpflanzen zu schützen, ohne auf harte chemische Spritzmittel angewiesen zu sein. Ein vielversprechender Weg besteht darin, nützliche Pilze einzusetzen, die in Pflanzen leben, ohne ihnen zu schaden – sogenannte Endophyten. Diese Pilze können als unsichtbare Leibwächter fungieren, indem sie das interne Milieu der Pflanze so verändern, dass Schädlinge verwirrt oder geschwächt werden.

Eine aktuelle Studie von Forschern der Guizhou-Universität in China untersucht, wie zwei spezifische Stämme dieser freundlichen Pilze dazu beitragen könnten, Mais – ein lebenswichtiges globales Nutzpflanzengut – vor dem Heerwurm (Fall Armyworm) zu schützen. Dieser Schädling ist ein unersättlicher Fresser, der sich weltweit rasant ausgebreitet hat und massive Schäden an Maisfeldern verursacht. Die Forscher wollten nicht nur verstehen, ob diese Pilze die Würmer stoppen können, sondern auch wie sie es tun. Sie betrachteten das gesamte System: das Wachstum der Maispflanze, die winzigen Bakterien und Pilze, die auf ihren Blättern leben, die chemischen Verbindungen, die die Pflanze produzierte, und wie diese Veränderungen sowohl den Schädling als auch einen natürlichen Feind des Schädlings – eine winzige Wespe, die ihre Eier in den Wurm legt – beeinflussten. Das Ziel war es zu sehen, ob diese Pilze die Pflanze zu einer besseren Festung und zu einem besseren Verbündeten für die Wespe machen können, um eine Dreier-Partnerschaft zur Kontrolle der Plage zu schaffen.

Die Forscher begannen damit, zwei verschiedene Pilzstämme, benannt als GL-5 und H8, in junge Maiskeimlinge einzuführen. Dies taten sie, indem sie eine Flüssigkeit, die Pilzsporen enthielt, auf die Erde um die Wurzeln gossen, sodass die Pilze im Inneren der Pflanze wachsen konnten. Während die Keimlinge wuchsen, maß das Team deren Größe und Gesundheit. Beide Pilzstämme halfen den Pflanzen, größer zu werden und längere Wurzeln sowie Blätter zu entwickeln, im Vergleich zu Pflanzen, die keine Behandlung erhielten. Die mit den Pilzen behandelten Pflanzen waren sichtlich kräftiger, was darauf hindeutete, dass diese mikroskopischen Gäste nicht nur dort lebten, sondern aktiv dabei halfen, dass ihr Wirt gedieh. Dieser anfängliche Wachstumsschub bereitete die Bühne für die nächste Phase des Experiments, in der die Forscher die Larven des Heerwurms einführten.

Als die Heerwürmer an den Blättern der pilzbehandelten Pflanzen fraßen, geriet ihre Entwicklung in Chaos. Die Würmer, die an den Pflanzen mit dem GL-5-Stamm fraßen, benötigten viel länger, um ihre frühen Stadien zu durchlaufen, und viele starben, bevor sie erwachsen wurden. Die Würmer, die an den mit H8 behandelten Pflanzen fraßen, hatten ebenfalls Schwierigkeiten, insbesondere in ihren späteren Larvenstadien und als Puppen. Die physische Größe der Würmer, die überlebten, war kleiner, und sie wogen signifikant weniger als jene, die unbehandelte Blätter fraßen. Für die Würmer, denen es gelang, erwachsen zu werden, war die Fortpflanzungsfähigkeit stark beeinträchtigt. Jene, die an den mit GL-5 behandelten Pflanzen gefüttert wurden, legten weit weniger Eier, und die Zeit bis zum Beginn der Eiablage war viel länger. Im Wesentlichen hatten die Pilze den Mais in eine schwierige Nahrung verwandelt, die die Würmer verlangsamte, ihr Wachstum hemmte und ihre Fähigkeit zur Fortpflanzung reduzierte.

Die Studie untersuchte auch, was im Inneren der Pflanze und des Schädlings geschah, um diese Ergebnisse zu erklären. Die Forscher fanden heraus, dass die Pilze die chemische Zusammensetzung der Maisblätter veränderten. Der GL-5-Stamm veranlasste die Pflanze dazu, höhere Mengen bestimmter Abwehrchemikalien aufzubauen, speziell Flavonoide und Phenolsäuren, die dafür bekannt sind, Insekten abzuschrecken. Gleichzeitig veränderten die Pilze die Gemeinschaft der Bakterien, die auf der Blattoberfläche lebten. Der GL-5-Stamm förderte das Wachstum eines spezifischen Bakterientyps namens Enterobacter, der mit der Produktion dieser Abwehrchemikalien in Verbindung steht. Im Gegensatz dazu förderte der H8-Stamm ein anderes Bakterium namens Chryseobacterium und veränderte den Zuckerstoffwechsel der Pflanze. Diese Veränderungen in der Chemie der Pflanze und ihren mikrobiellen Nachbarn störten die internen Systeme der Würmer. Die Würmer, die die behandelten Pflanzen fraßen, hatten Probleme bei der Verarbeitung von Toxinen; ihre Entgiftungsenzyme waren entweder überfordert oder unterdrückt, was sie verwundbar machte und eine ordnungsgemäße Entwicklung verhinderte.

Die vielleicht überraschendste Erkenntnis war, wie diese Veränderungen einen natürlichen Feind des Heerwurms beeinflussten: eine parasitäre Wespe namens Microplitis manilae. Diese Wespe jagt die Würmer, indem sie ihre Eier in sie hineinlegt, wodurch sie den Wirt schließlich tötet. Die Forscher wollten wissen, ob die pilzbehandelten Pflanzen den hilfreichen Wespen helfen oder schaden würden. Sie fanden heraus, dass der GL-5-Stamm die Wespen tatsächlich effektiver machte. Wenn die Wespen Würmer jagden, die sich von GL-5-behandelten Pflanzen ernährt hatten, parasitierten sie diese erfolgreicher, und die von der Wespe produzierten Kokons waren schwerer und stärker. Dies deutet darauf hin, dass die Veränderungen in der Pflanze die Würmer zu leichteren Zielen machten, vielleicht durch die Schwächung der Würmer oder die Veränderung der Signale, die sie aussenden. Der H8-Stand bot den Wespen jedoch nicht denselben Nutzen, was verdeutlicht, dass verschiedene Pilzstämme sehr spezifische und unterschiedliche Auswirkungen auf das gesamte Ökosystem haben können.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass diese endophytischen Pilze mächtige Werkzeuge zur Bekämpfung von Schädlingen sind, aber sie wirken je nach verwendetem Stamm unterschiedlich. Der GL-5-Stamm scheint die überlegene Wahl für eine kombinierte Strategie zu sein, da er nicht nur den Schädling direkt schwächt, sondern auch die Leistung seiner natürlichen Fressfeinde steigert, die helfen, ihn zu kontrollieren. Indem er die interne Chemie der Pflanze und die Gemeinschaft der Mikroben auf ihren Blättern umgestaltet, schafft der Pilz eine Umgebung, in der der Schädling ums Überleben und die Fortpflanzung kämpft, während seine natürlichen Feinde gedeihen. Diese Forschung bietet einen Ausblick auf eine Zukunft, in der Landwirte diese mikroskopischen Verbündeten nutzen könnten, um ihre Nutzpflanzen zu schützen, indem sie sich auf die komplexen Beziehungen zwischen Pflanzen, Pilzen, Insekten und Bakterien verlassen, um gesunde Felder ohne den Einsatz schwerer chemischer Eingriffe zu erhalten. Die Ergebnisse liefern einen klaren Mechanismus dafür, wie diese Interaktionen funktionieren, und ebnen den Weg für nachhaltigere und effektivere Wege zur Bekämpfung eines der zerstörerischsten Schädlinge der Landwirtschaft.