Growth promotion of tomato plants through bacteria derived from spent substrate of edible mushrooms

Tomaten gehören zu den am weitesten verbreiteten Gemüsesorten der Welt, ernähren Millionen von Menschen und bilden das Rückgrat unzähliger Diäten. Um den Hunger der Welt zu stillen, müssen Landwirte ständig Wege finden, mehr Lebensmittel anzubauen, ohne dabei das Land zu schädigen. Jahrzehntelang war die Standardlösung chemischer Dünger, doch diese können ins Grundwasser sickern und die Bodengesundheit im Laufe der Zeit beeinträchtigen. Die Natur bietet jedoch eine leisere Alternative: winzige Bakterien, die im Boden leben und Pflanzen beim Wachsen helfen. Diese mikroskopisch kleinen Helfer, die oft als pflanzenwachstumsfördernde Bakterien bezeichnet werden, sitzen nicht einfach nur untätig herum; sie produzieren natürliche Verbindungen, die Nährstoffe freisetzen, schädliche Mikroben bekämpfen und sogar die eigenen Wachstumshormone der Pflanze stimulieren. Die Herausforderung für Wissenschaftler besteht darin, die richtigen Bakterienstämme zu finden und herauszufinden, wie man sie am besten an die Nutzpflanzen abgibt.

Ein Forscherteam in Brasilien wandte sich an eine ungewöhnliche Quelle, um diese Helfer zu finden: das Restmaterial von Pilzzuchtbetrieben. Wenn essbare Pilze geerntet werden, bleibt ein verbrauchtes Substrat zurück – eine Mischung aus Schalen, Samen, Holz und anderen landwirtschaftlichen Nebenprodukten, die bereits teilweise durch die Pilze abgebaut wurden. Dieser reiche, organische Abfall ist voller mikrobiellem Leben. Die Forscher sammelten zwanzig verschiedene Bakterienstämme aus diesem verbrauchten Pilzsubstrat und unterzogen sie einer Reihe von Tests, um zu sehen, welche davon am fähigsten waren, einer Tomatenpflanze zu helfen. Sie suchten nach spezifischen biologischen Aktivitäten, wie der Fähigkeit, Enzyme zu produzieren, die zähe Pflanzenfasern abbauen, Substanzen, die Eisen aus dem Boden binden, und natürlichen Wachstumshormonen, die das Wurzelwachstum anregen.

Der Screening-Prozess ergab, dass jeder der getesteten Bakterienstämme irgendeine nützliche Eigenschaft besaß, aber drei stachen als besonders vielversprechend hervor. Ein Stamm namens BUD 5 war ein Kraftpaket, das das Wachstumshormon Indol-3-Essigsäure sowie Enzyme zum Abbau von Cellulose und Verbindungen zur Eisenbindung produzierte. Ein anderer, BUD 7, produzierte ebenfalls das Wachstumshormon und Enzyme zum Abbau von Cellulose. Ein dritter, BUD 19, war ein starker Produzent von eisenbindenden Verbindungen und produzierte zudem Cellulose-abbauende Enzyme. Um zu sehen, ob diese Bakterien in einer lebenden Pflanze tatsächlich einen Unterschied machen konnten, verlagerte das Team seine Arbeit vom Labortisch in ein Gewächshaus. Sie zogen Tomatenpflanzen in Töpfen und wandten die Bakterien auf drei verschiedene Arten an: durch Einweichen der Samen vor dem Pflanzen, durch Besprühen der Blätter oder durch beides. Sie überwachten die Pflanzen über zwei Wachstumsperioden hinweg und maßen alles, von der Höhe des Wachstums bis zur Größe und zum Gewicht des Wurzelsystems.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Bakterien den Tomaten tatsächlich halfen, wenngleich die Effekte je nach Jahr und Art der Anwendung variierten. Im ersten Jahr lieferte die Kombination aus der Behandlung der Samen und dem Besprühen der Blätter mit dem BUD 5-Stamm die dramatischsten Ergebnisse. Diese Pflanzen entwickelten Wurzelsysteme, die ein Volumen hatten, das fast vierzig Prozent größer war als das der unbehandelten Kontrollpflanzen. Die Blätter der mit BUD 5 behandelten Pflanzen zeigten auch eine signifikante Steigerung des Frischgewichts und wuchsen fast fünfundvierzig Prozent schwerer als die Kontrollgruppe. Die Bakterien schienen dadurch zu wirken, dass sie die Pflanzen dazu ermutigten, mehr Wurzelmasse aufzubauen, was wiederum ermöglichte, mehr Wasser und Nährstoffe aus dem Boden zu ziehen, was das Wachstum der Blätter und Stängel oberirdisch befeuerte.

Das zweite Jahr des Experiments bestätigte, dass diese Bakterien zuverlässig waren, auch wenn sich die genauen „Gewinner“ leicht veränderten. Während die Kontrollpflanzen in Bezug auf die Höhe genauso hoch wuchsen wie die behandelten Pflanzen, entwickelten die mit Bakterien behandelten Pflanzen oft robustere Wurzelsysteme und häuften mehr Trockenmasse in ihren Wurzeln und Trieben an. Beispielsweise führte die Behandlung der Samen mit dem BUD 7-Stamm zu einem Wurzelsystem, das über zwanzig Prozent größer war als das der Kontrolle. Die Forscher maßen auch, wie effizient die Pflanzen Licht für die Photosynthese nutzten, den Prozess, bei dem Pflanzen Sonnenlicht in Energie umwandeln. Die mit Bakterien behandelten Pflanzen unterhielten eine gesunde Photosynthese-Maschinerie, wobei einige Behandlungen eine deutliche Steigerung der Effizienz des Elektronentransports zeigten, eines entscheidenden Schritts bei der Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie. Dies deutet darauf hin, dass die Bakterien den Pflanzen halfen, das Sonnenlicht effektiver zu nutzen, was die zusätzliche Energie lieferte, die für das größere Wurzel- und Sprosswachstum benötigt wurde.

Was diese Entdeckung besonders interessant macht, ist die Quelle der Bakterien. Indem sie das verbrauchte Substrat aus der Pilzzucht nutzten, zapften die Forscher einen Reservoir von Mikroorganismen an, die bereits daran angepasst sind, komplexes organisches Material abzubauen. Diese Bakterien sind von Natur aus mit den Werkzeugen ausgestattet, um zähe Pflanzenfasern zu zersetzen und Nährstoffe zu recyceln – Eigenschaften, die sich bei der Übertragung auf Tomatenpflanzen als vorteilhaft erwiesen. Die Studie zeigt, dass diese Abfallprodukte aus der Pilzzucht nicht bloß Müll sind, der entsorgt werden muss, sondern eine wertvolle Ressource für die Suche nach neuen biologischen Werkzeugen für die Landwirtschaft darstellen. Die drei ausgewählten Stämme, BUD 5, BUD 7 und BUD 19, zeigten, dass sie das Wachstum konsistent fördern, die Wurzelentwicklung verbessern und die Fähigkeit der Pflanze steigern können, Energie aus der Sonne einzufangen.

Die Studie fand nicht, dass die Bakterien jedes Mal auf die gleiche Weise wirkten; die Ergebnisse verschoben sich zwischen den beiden Jahren, was wahrscheinlich auf natürliche Schwankungen der Umweltbedingungen zurückzuführen ist. Der beständige Trend war jedoch, dass die Bakterien den Pflanzen halfen, kräftiger zu wachsen, insbesondere in ihren Wurzelsystemen. Dies ist eine entscheidende Erkenntnis, da ein stärkeres Wurzelsystem bedeutet, dass eine Pflanze besser in der Lage ist, Stress zu bewältigen und Nährstoffe aufzunehmen. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass diese bakteriellen Isolate echtes Potenzial haben, zu Bio-Inputs entwickelt zu werden, die einen nachhaltigen Weg bieten, die Tomatenproduktion zu steigern, ohne auf chemische Düngemittel angewiesen zu sein. Die Arbeit unterstreicht eine einfache, aber kraftvolle Idee: Indem wir in den Abfällen eines landwirtschaftlichen Prozesses suchen, können wir die Schlüssel zur Verbesserung eines anderen finden.