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 de verborgen wereld onder de grond wordt constant een stille oorlog gevoerd. Aan de ene kant staan de planten, en aan de andere kant microscopische indringers die proberen hun voedingsstoffen te stelen en hun levensondersteunende systemen plat te leggen. Voor boeren die tomaten verbouwen, is een van de meest hardnekkige vijanden een schimmel genaamd Fusarium oxysporum. Deze organisme leeft in de aarde en wacht op een kans om in de wortels van een tomatplant te dringen. Eenmaal binnen reist het door de interne leidingen van de plant, waardoor de doorstroming van water en voedingsstoffen wordt geblokkeerd totdat de plant verwelkt en sterft. Deze ziekte, bekend als Fusariumverwelking, is een groot probleem voor tomatenteelt overal ter wereld, vooral voor zij die hun gewassen verbouwen in kassen waar de grond steeds opnieuw wordt gebruikt. Omdat de schimmel zo hardnekkig is en moeilijk te doden zonder het milieu te schaden, zoeken wetenschappers al lang naar een ander soort oplossing: het gebruik van andere levende wezens om het te bestrijden.

Jarenlang hebben onderzoekers geprobeerd om eenzame stammen van gunstige bacteriën te vinden die als lijfwachten voor de planten kunnen dienen. Dit zijn minuscule microben die van nature in de bodem of in de plant zelf leven, en sommige van hen produceren stoffen die de groei van schadelijke schimmels stoppen. Het vertrouwen op slechts één type bacterie mislukt echter vaak in de echte wereld. Een enkele stam werkt misschien goed in een laboratorium, maar heeft moeite om te overleven onder de complexe en veranderende omstandigheden van een landbouwveld. Het idee dat de laatste tijd aan tractie heeft gewonnen, is om een team, of een consortium, van verschillende bacteriën te gebruiken die samenwerken. Net zoals een divers ecosysteem vaak stabieler is dan een enkele soort, kan een groep verschillende bacteriën een plant wellicht beter beschermen dan welke enkele bacterie alleen zou kunnen. De uitdaging is echter om precies uit te zoeken welke bacteriën je moet kiezen en in welke verhoudingen je ze mengt zodat ze samenwerken zonder met elkaar te vechten.

Een team van onderzoekers aan de Jilin Landbouwuniversiteit in China zette zich scharpe om zo'n team specif으로 voor tomaten op te bouwen. Ze begonnen met het verzamelen van monsters van twee verschillende plaatsen: de bodem rond de wortels van tomatoplanten en het interne weefsel van gezonde tomatoplanten zelf. Uit de bodem isoleerden ze honderden bacteriestammen, en uit de binnenkant van de planten vonden ze er nog meer. Vervolgens onderwierpen ze deze bacteriën aan een reeks tests om te zien welke het beste waren in het stoppen van de groei van de Fusarium-schimmel. Na het verkleinen van een grote groep kandidaten, selecteerden ze vier specifieke stammen die de sterkste capaciteit vertoonden om de schimmel in een schotel te remmen. Twee van deze bacteriën kwamen uit de bodem, en twee werden gevonden terwijl ze in de tomatenplanten leefden.

De onderzoekers identificeerden deze vier stammen als verschillende soorten Bacillus, een veelvoorkomende en robuuste groep bacteriën. Voordat ze ze konden mengen, moesten ze zeker weten dat de bacteriën het met elkaar eens zouden worden. Ze testten of de bacteriën elkaar zouden aanvallen als ze in hetzelfde bakje werden geplaatst, en ontdekten dat ze dat niet deden. In plaats daarvan bestonden ze vredig naast elkaar, wat betekende dat ze gecombineerd konden worden in één enkele mengeling. De volgende stap was het moeilijkste deel van de puzzel: het bepalen van het perfecte recept. Het team moest precies weten hoeveel van elke bacterie ze in de mengeling moesten opnemen om het beste resultaat te krijgen. Ze gebruikten een geavanceerde methode van het testen van verschillende combinaties, waarbij ze de hoeveelheden van elke stam varieerden om te zien welke mix de sterkste verdediging tegen de schimmel produceerde.

Door dit proces ontdekten ze dat één van de bacteriën, die ze F-29 noemden, het belangrijkste lid van de groep was. Deze fungeerde als de leider of de dominante stam, en droeg het meeste bij aan het vermogen van het team om de schimmel te bestrijden. De andere drie bacteriën speelden ondersteunende rollen, maar waren nog steeds essentieel. De onderzoekers berekenden de ideale ratio voor de mengeling op ongeveer twee delen van de eerste bodemstam, twee delen van de eerste plantstam, twee delen van de tweede bodemstam, en vijf en een half delen van de dominante plantstam. Met dit specifieke recept creëerden ze een fermentatiebouillon, wat in essentie een vloeibare cultuur is waarin de bacteriën zijn gegroeid en beschermende stoffen hebben afgegeven.

Toen ze deze geoptimaliseerde mengeling testten, waren de resultaten veelbelovend. De vloeibare bouillon was in staat om de groei van de schimmel effectief te stoppen, en deze kracht bleef sterk, zelfs wanneer de vloeistof aanzienlijk werd verdund, wat suggereert dat de bacteriën een robuuste en stabiele verdediging produceerden. Maar het team wilde weten of deze mengeling meer kon doen dan alleen de schimmel doden in een schotel; ze wilden zien of het ook daadwerkelijk een tomatenplant kon helpen groeien en gezond te blijven. Ze brachten de bouillon aan op tomaten-zaden en jonge zaailingen. Ze ontdekten dat de behandeling hielp om de zaden sneller te laten ontkiemen en groeien tot sterkere zaailingen met langere wortels en groenere bladeren. De behandelde planten vertoonden ook hogere niveaus van chlorofyl, het groene pigment dat essentieel is voor fotosynthese, en hun interne enzymen die helpen bij de verwerking van stikstof waren actiever.

Misschien wel het belangrijkste was dat de onderzoekers keken naar hoe de planten reageerden wanneer ze daadwerkelijk werden aangevallen door de schimmel. Ze ontdekten dat planten die behandeld waren met de bacteriële mengeling beter voorbereid waren op de strijd. Wanneer de schimmel probeerde binnen te dringen, activeerden de behandelde planten hun eigen natuurlijke verdedigingssystemen veel sneller en sterker dan onbehandelde planten. Ze produceerden hogere niveaus van specifieke enzymen die fungeren als een schild, wat helpt de schade veroorzaakt door de indringer te neutraliseren. Dit suggereert dat de bacteriën het geslacht niet alleen direct vochten tegen de schimmel, maar de plant ook leerden hoe hij zichzelf beter kon verdedigen.

Om te zien of dit in een echte omgeving zou werken, voerde het team een proef uit in potten gevuld met aarde. Ze infecteerden sommige tomatenplanten met de schimmel en behandelden andere vervolgens met hun bacteriële mengeling. De resultaten toonden aan dat de mengeling effectief was bij het voorkomen van de ziekte wanneer deze vóór de infectie werd toegepast, en dat het zelfs effectiever was bij het genezen van de planten wanneer de infectie al was begonnen. De behandelde planten hadden aanzienlijk minder ernstige symptomen van de ziekte vergeleken met de onbehandelde planten. De onderzoekers berekenden dat de mengeling een beschermend effect bood van ongeveer 53 procent en een genezend effect van 60 procent.

Hoewel deze resultaten aanmoedigend zijn, merken de onderzoekers voorzichtig op dat dit werk in een gecontroleerde omgeving is uitgevoerd. De echte test zal komen wanneer deze mengeling wordt geprobeerd in open velden met verschillende soorten bodems, weersomstandigheden en verschillende stammen van de schimmel. Ze merkten ook op dat hoewel ze weten dat de mengeling werkt, ze nog niet de specifieke chemische stoffen hebben geïdentificeerd die de bacteriën produceren om de schimmel te bestrijden. Begrijpen hoe de bacteriën de schimmel precies doden en hoe ze het immuunsysteem van de plant stimuleren, is de volgende stap in hun onderzoek. Voor nu biedt deze studie echter een concreet voorbeeld van hoe het combineren van verschillende soorten gunstige bacteriën een krachtig hulpmiddel kan creëren voor de bescherming van gewassen, wat een potentieel alternatief biedt voor chemische pesticiden voor een van de belangrijkste groenten ter wereld.