Upregulation of chitinase and β-1,3-glucanase enzymes and modulation of biochemical defense response by fungal endophytes against Rhizoctonia solani in cotton

Baumwolle ist mehr als nur ein Gewebe; sie ist ein globaler landwirtschaftlicher Motor, wobei allein Indien fast die Hälfte der weltweiten Baumwollfelder bewirtschaftet. Doch diese lebenswichtige Nutzpflanze steht vor einem stillen, unterirdischen Feind. Ein mikroskopisch kleiner Pilz namens Rhizoctonia solani lebt im Boden und wartet darauf, junge Baumwollsetzlinge anzugreifen. Er verursacht eine Erkrankung, die als Umfallkrankheit (Damping-off) bekannt ist, bei der die Stiele der Setzlinge an der Basis verfaulen, was dazu führt, dass sie kollabieren und absterben, noch bevor sie sich überhaupt etablieren können. Jahrzehntelang haben Landwirte gegen diesen Feind mit chemischen Fungiziden gekämpft, doch diese Chemikalien können den Boden und die darin lebenden nützlichen Mikroben schädigen, während der Pilz selbst mit der Zeit lernen kann, gegen sie resistent zu werden. Die Natur bietet jedoch eine andere Art von Lösung. Verborgen im Gewebe gesunder Pflanzen leben mikroskopisch kleine Pilze, die Endophyten genannt werden. Dies sind keine Eindringlinge, sondern permanente, harmlose Bewohner, die in der Pflanze leben, ohne Krankheiten zu verursachen. In vielen Fällen fungieren diese internen Gäste als Wächter, indem sie Verbindungen produzieren, die Schädlinge abwehren, oder das körpereigene Immunsystem der Pflanze aktivieren, damit diese bereit für einen Angriff ist.

Ein Forschungsteam am Central Institute for Cotton Research in Nagpur, Indien, setzte sich zum Ziel zu untersuchen, ob sie diese internen Wächter nutzen könnten, um die Baumwolle vor dem tödlichen Bodenpilz zu schützen. Sie konzentrierten sich auf drei spezifische Arten von pilzlichen Endophyten, die sie zuvor in gesunden Baumwollpflanzen gefunden hatten. Die Wissenschaftler wollten wissen, ob sie die natürlichen Abwehrkräfte der Baumwollpflanze wecken könnten, noch bevor der Feind eintrifft. Um dies zu erreichen, nahmen sie Baumwollsamen und weichten sie in einer Flüssigkeit ein, die Sporen dieser nützlichen Pilze enthielt – ein Prozess, der als Saatgut-Biopriming bekannt ist. Dieser Schritt gab den Samen im Wesentlichen einen Vorsprung, indem er sie mit ihren neuen mikroskopischen Verbündeten überzog. Anschließend pflanzten sie diese behandelten Samen in Erde, die mit dem krankheitsverursachenden Pilz infiziert war, neben Samen, die keine Behandlung erhalten hatten. Das Ziel war es, zu beobachten, wie die behandelten Pflanzen gegen die Infektion abschnitten und um genau zu verstehen, was innerhalb der Pflanzenzellen geschah, um sie stärker zu machen.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Strategie bemerkenswert gut funktionierte. Die mit den nützlichen Pilzen behandelten Samen entwickelten sich zu Setlingen, die mit viel höherer Wahrscheinlichkeit den Angriff überlebten als die unbehandelten. Tatsächlich zeigten die Samen, die mit einem spezifischen Endophyten, Daldinia eschscholtzii, behandelt worden waren, die höchsten Keimraten, wobei 91 Prozent von ihnen selbst in Anwesenheit der Krankheit erfolgreich keimten, verglichen mit nur 67 Prozent der unbehandelten Samen in infizierter Erde. Aber die Geschichte geht tiefer als nur die Überlebensraten. Die Forscher blickten in das Gewebe der überlebenden Pflanzen, um zu sehen, welche biochemischen Veränderungen stattgefunden hatten. Sie fanden heraus, dass die behandelten Pflanzen sich im Grunde in einem Zustand hoher Alarmbereitschaft befanden. Sie hatten signifikant höhere Mengen an Proteinen und Zuckern akkumuliert, die als Bausteine und Treibstoff für die Abautomachinerie der Pflanze dienen. Die Pflanzen produzierten auch wesentlich mehr phenolische Verbindungen, die wie natürliche Antiseptika wirken und helfen, die Zellwände der Pflanze zu stärken, was es dem eindringenden Pilz erschwert, einzudringen.

Die Studie untersuchte auch die Aktivität spezifischer Enzyme, welche die Werkzeuge sind, mit denen die Pflanze zurückschlägt. Die behandelten Pflanzen zeigten einen Anstieg der Antioxidantien-Aktivität, die hilft, die schädlichen Chemikalien zu neutralisieren, welche der Krankheitspilz freisetzt, um die Pflanze zu schädigen. Ein Enzym namens Katalase, das hilft, toxische Nebenprodukte der eigenen Immunreaktion der Pflanze abzubauen, war in den mit Daldinia eschscholtzii behandelten Pflanzen besonders aktiv. Ein weiteres Enzym, Peroxidase, das an der Härtung der Zellwände der Pflanze beteiligt ist, war ebenfalls hochaktiv, insbesondere in Pflanzen, die mit einem anderen Endophyten namens Trichoderma sulphureum behandelt worden waren. Vielleicht am aufschlussreichsten war der genetische Beleg. Die Forscher untersuchten die Gene, die für die Produktion von Chitinase und Beta-1,3-Glucanase verantwortlich sind, zwei mächtigen Waffen, mit denen Pflanzen die Zellwände von Pilzen demontieren. In den Pflanzen, die mit den nützlichen Pilzen behandelt worden waren, wurden die Anweisungen zur Herstellung dieser Waffen mit unglaublicher Geschwindigkeit und Intensität aktiviert. Innerhalb von fünfzehn Tagen nach der Pflanzung hatte sich die Aktivität des Gens für Chitinase bei den mit Daldinia eschscholtzii behandelten Pflanzen um das bis zu Achtundzwanzigmal erhöht, während das Gen für Beta-1,3-Glucanase einen neunfachen Anstieg zeigte. Dies deutet darauf an, dass die nützlichen Pilze nicht nur direkt gegen die Krankheit kämpften, sondern der Baumwollpflanze beigebracht haben, für sich selbst zu kämpfen.

Die Forscher beobachteten, dass diese Abwehrreaktion kein einzelnes Ereignis war, sondern eine koordinierte Anstrengung, die sich im Laufe der Zeit entwickelte. Während die genetischen Signale in den frühen Tagen des Pflanzenlebens am stärksten waren, bauten sich die biochemischen Abwehrmechanismen, wie die Akkumulation von Zuckern und Proteinen, weiter auf, während die Pflanzen älter wurden. Dies deutet darauf hin, dass die nützlichen Pilze die Pflanze darauf vorbereiteten, sofort für einen Angriff bereit zu sein, und ihr halfen, diese Verteidigung während ihrer Reifung aufrechtzuerhalten. Die Studie fand nicht heraus, dass die nützlichen Pilze den Krankheitspilz vollständig eliminierten, sondern dass sie den Schaden, den er anrichten konnte, erheblich reduzierten. Die mit den Endophyten behandelten Pflanzen waren nicht immun, aber sie waren widerstandsfähig genug, um zu überleben und zu wachsen, wo unbehandelte Pflanzen untergegangen wären. Dieser Ansatz bietet eine vielversprechende Alternative zu chemischen Sprays, indem er auf der natürlichen Partnerschaft zwischen Pflanzen und dem mikroskopischen Leben, das sie beherbergen, basiert. Indem Landwirte die Samen einfach in einer Lösung dieser hilfreichen Pilze tränken, könnten sie ihre Ernten potenziell mit einer Methode schützen, die sowohl effektiv als auch sanft zur Umwelt ist, indem sie die internen Verbündeten der Baumwollpflanze zu ihrer ersten Verteidigungslinie gegen einen hartnäckigen und zerstörerischen Feind machen.