Construction of a Four-Strain Synthetic Bacillus Consortium and Evaluation of Its Biocontrol Efficacy Against Tomato Fusarium Wilt Caused by Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici

In der verborgenen Welt unter der Erde tobt ständig ein stiller Krieg. Auf der einen Seite stehen die Pflanzen, und auf der anderen mikroskopisch kleine Invasoren, die versuchen, ihnen die Nährstoffe zu stehlen und ihre Lebenserhaltungssysteme abzuschalten. Für Landwirte, die Tomaten anbauen, ist einer der hartnäckigsten Feinde ein Pilz namens Fusarium oxysporum. Dieser Organismus lebt im Schmutz und wartet auf eine Chance, in eine Tomatenpflanze einzudringen. Einmal eingedrungen, wandert er durch die interne Rohrleitung der Pflanze nach oben und blockiert den Fluss von Wasser und Nährstoffen, bis die Pflanze verwelkt und stirbt. Diese Krankheit, bekannt als Fusariumwelke, ist ein großes Problem für Tomatenzüchter überall, insbesondere für diejenigen, die ihre Kulturen in Gewächshäusern anbauen, in denen die Erde immer wieder verwendet wird. Da der Pilz so hartnäckig und schwer zu bekämpfen ist, ohne die Umwelt zu schädigen, suchen Wissenschaftler schon lange nach einer anderen Art von Lösung: die Verwendung anderer Lebewesen, um ihn zu bekämpfen.

Jahrelang haben Forscher versucht, einzelne Stämme nützlicher Bakterien zu finden, die als Leibwächter für die Pflanzen fungieren könnten. Dies sind winzige Mikroben, die natürlich im Boden oder in der Pflanze selbst leben, und einige von ihnen produzieren Substanzen, die das Wachstum schädlicher Pilze stoppen. Es scheitert jedoch oft daran, sich nur auf eine einzige Art von Bakterien zu verlassen. Ein einzelner Stamm mag im Labor gut funktionieren, aber unter den komplexen und wechselnden Bedingungen eines Feldes Schwierigkeiten haben, zu überleben. Die Idee, die in letzter Zeit an Bedeutung gewonnen hat, ist es, ein Team oder ein Konsortium aus verschiedenen Bakterien einzusetzen, die zusammenarbeiten. Genau wie ein vielfältiges Ökosystem oft stabiler ist als eine einzelne Spezies, könnte eine Gruppe verschiedener Bakterien eine Pflanze besser schützen können, als es jeder von ihnen allein könnte. Die Herausforderung besteht jedoch darin, genau herauszufinden, welche Bakterien man auswählen muss und in welchen Proportionen man sie mischen sollte, damit sie zusammenarbeiten, ohne sich gegenseitig zu bekämpfen.

Ein Team von Forschern an der Jilin Agricultural University in China setzte sich zum Ziel, ein solches Team speziell für Tomaten aufzubauen. Sie begannen mit der Sammlung von Proben aus zwei verschiedenen Quellen: dem Boden rund um die Wurzeln von Tomatenpflanzen und dem Innengewebe gesunder Tomatenpflanzen selbst. Aus dem Boden isolierten sie hunderte von Bakterienstämmen, und aus dem Inneren der Pflanzen fanden sie noch mehr. Sie unterzogen diese Bakterien dann einer Reihe von Tests, um zu sehen, welche am besten darin waren, das Wachstum des Fusarium-Pilzes zu stoppen. Nachdem sie einen großen Pool an Kandidaten eingegrenzt hatten, wählten sie vier spezifische Stämme aus, die die stärkste Fähigkeit zeigten, den Pilz in einer Petrischale zu hemmen. Zwei dieser Bakterien stammten aus dem Boden, und zwei wurden im Inneren der Tomatenpflanzen gefunden.

Die Forscher identifizierten diese vier Stämme als verschiedene Arten von Bacillus, einer häufigen und robusten Bakteriengruppe. Bevor sie sie mischen konnten, mussten sie sicherstellen, dass die Bakterien miteinander auskommen würden. Sie testeten, ob die Bakterien einander angreifen würden, wenn sie im selben Behälter platziert würden, und fanden heraus, dass sie dies nicht taten. Stattdessen koexistierten sie friedlich, was bedeutete, dass sie zu einer einzigen Mischung kombiniert werden konnten. Der nächste Schritt war der schwierigste Teil des Puzzles: das Ermitteln des perfekten Rezepts. Das Team musste genau wissen, wie viel von jedem der vier Bakterien enthalten sein musste, um das beste Ergebnis zu erzielen. Sie verwendeten eine ausgeklügelte Methode, bei der sie verschiedene Kombinationen testeten und die Mengen jedes Stammes variierten, um zu sehen, welche Mischung die stärkste Verteidigung gegen den Pilz hervorbrachte.

Durch diesen Prozess entdeckten sie, dass eines der Bakterien, das sie F-29 nannten, das wichtigste Mitglied der Gruppe war. Es fungierte als Anführer oder dominanter Stamm und trug am meisten zur Fähigkeit des Teams bei, den Pilz zu bekämpfen. Die anderen drei Bakterien spielten unterstützende Rollen, waren aber dennoch essenziell. Die Forscher berechneten das ideale Verhältnis für die Mischung auf etwa zwei Teile des ersten Bodenstamms, zwei Teile des ersten Pflanzenstamms, zwei Teile des zweiten Bodenstamms und fünf und eine halb Teile des dominanten Pflanzenstamms. Mit diesem spezifischen Rezept erstellten sie eine Fermentationsbrühe, was im Wesentlichen eine flüssige Kultur ist, in der die Bakterien gewachsen sind und ihre schützenden Substanzen freigesetzt haben.

Als sie diese optimierte Mischung testeten, waren die Ergebnisse vielversprechend. Die flüssige Brühe war in der Lage, das Wachstum des Pilzes effektiv zu stoppen, und diese Kraft blieb auch dann stark, wenn die Flüssigkeit signifikant verdünnt wurde, was darauf hindeutet, dass die Bakterien eine robuste und stabile Verteidigung produzierten. Aber das Team wollte wissen, ob diese Mischung mehr tun konnte, als nur den Pilz in einer Schale zu töten; sie wollten sehen, ob sie tatsächlich einer Tomatenpflanze helfen könnte, zu wachsen und gesund zu bleiben. Sie behandelten Tomatensamen und junge Setzlinge mit der Brühe. Sie fanden heraus, dass die Behandlung half, die Samen schneller keimen zu lassen und sie zu stärkeren Setzlingen mit längeren Wurzeln und grüneren Blättern heranwachsen zu lassen. Die behandelten Pflanzen wiesen auch höhere Mengen an Chlorophyll auf, dem grünen Pigment, das für die Photosynthese essenziell ist, und ihre internen Enzyme, die bei der Stickstoffverarbeitung helfen, waren aktiver.

Vielleicht am wichtigsten war, dass die Forscher beobachteten, wie die Pflanzen reagierten, wenn sie tatsächlich angegriffen wurden. Sie fanden heraus, dass die mit der Bakterienmischung behandelten Pflanzen besser auf den Kampf vorbereitet waren. Als der Pilz versuchte einzudringen, aktivierten die behandelten Pflanzen ihre eigenen natürlichen Abwehrsysteme viel schneller und stärker als unbehandelte Pflanzen. Sie produzierten höhere Mengen spezifischer Enzyme, die wie ein Schutzschild wirken und helfen, den durch den Eindringling verursachten Schaden zu neutralisieren. Dies deutet darauf hin, dass die Bakterien den Pilz nicht nur direkt bekämpften, sondern der Pflanze auch beibrachten, sich besser zu verteidigen.

Um zu sehen, ob dies in einer realen Umgebung funktionieren würde, führten die Forscher einen Versuch in Töpfen mit Erde durch. Sie infizierten einige Tomatenpflanzen mit dem Pilz und behandelten andere mit ihrer Bakterienmischung. Die Ergebnisse zeigten, dass die Mischung wirksam war, um die Krankheit zu verhindern, wenn sie vor der Infektion angewendet wurde, und sie war sogar noch effektiver bei der Heilung der Pflanzen, wenn sie angewendet wurde, nachdem die Infektion bereits begonnen hatte. Die behandelten Pflanzen wiesen eine signifikant geringere Krankheitsschwere auf als die unbehandelten. Die Forscher berechneten, dass die Mischung eine Schutzwirkung von etwa 53 Prozent und eine Heilwirkung von 60 Prozent bot.

Obwohl diese Ergebnisse ermutigend sind, weisen die Forscher vorsichtig darauf hin, dass diese Arbeit in einer kontrollierten Umgebung durchgeführt wurde. Der wahre Test wird kommen, wenn diese Mischung auf offenen Feldern mit unterschiedlichen Bodenarten, Wetterbedingungen und verschiedenen Stämmen des Pilzes getestet wird. Sie merkten auch an, dass sie zwar wissen, dass die Mischung funktioniert, aber noch nicht die spezifischen chemischen Substanzen identifiziert haben, die die Bakterien zur Bekämpfung des Pilzes produzieren. Genau zu verstehen, wie die Bakterien den Pilz töten und wie sie das Immunsystem der Pflanze stärken, ist der nächste Schritt ihrer Forschung. Im Moment jedoch bietet diese Studie ein konkretes Beispiel dafür, wie die Kombination verschiedener Arten nützlicher Bakterien ein mächtiges Werkzeug zum Schutz von Nutzpflanzen schaffen kann und eine potenzielle Alternative zu chemischen Pestiziden für eines der wichtigsten Gemüse der Welt bietet.