Wie die mikrobiologische Grundlagenforschung an Universitäten letztlich zur Wertschöpfung der gärtnerischen und landwirtschaftlichen Praxis beitragen kann, darum ging es bei der Wintertagung des Projekts TransPlant.
Die Hochschule Rhein-Waal als Projektbeteiligte sowie die Landwirtschaftskammer Nordrhein-Westfalen hatten am 11. Februar nach Haus Riswick in Kleve eingeladen. Dort tauschten sich Grundlagenforscher, Berater und Praktiker zum Themenkomplex Pflanzen-Mikroben-Interaktionen und Biostimulanzien aus.
Seitens der Kammer waren Bodenkundler Dr. Konrad Egenolf und Jule Bonsels vom EIP-Projekt ReLaBo „Reallabor für Regenerative Landwirtschaft und Bodenernährung“ vertreten. Anwesend waren Vertreter des wissenschaftlichen Community-Projekts TransPlant, das den Wissenstransfer zwischen Wissenschaft, Praxis und Industrie fördert, um die Wirkung der Grundlagenforschung in den Pflanzenwissenschaften zu maximieren. Hier arbeiten Forschende der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, der Universität zu Köln und der Hochschule Rhein-Waal (HSRW) zusammen. TransPlant gehört zum CEPLAS Exzellenzcluster für Pflanzenwissenschaften, einer gemeinsamen Initiative der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU), der Universität zu Köln (UzK), des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung Köln (MPIPZ), des Forschungszentrums Jülich (FZJ) und des Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK). Ziel ist unter anderem die gemeinsame Entwicklung innovativer Strategien für nachhaltige Pflanzenproduktion.
Welchen Beitrag die Grundlagenforschung zur landwirtschaftlichen Wertschöpfung im Bereich Pflanzen-Mikroben-Interaktionen und Biostimulanzien leisten kann, damit befasste sich Prof. Dr. Guido Grossmann, HHU, Professor für Zell- und Interaktionsbiologie, in seinem Vortrag. Eingangs ermunterte er, „den Spagat zwischen Grundlagenforschung im Labor und Praxis auf dem Feld“ angesichts der Herausforderungen des Klimawandels zu schaffen und sich durch intensiven, regelmäßigen Austausch anzunähern. Ausdrücklich wollte er von den Praktikern wissen, welche Themen sie von der Grundlagenforschung gerne bearbeitet hätten.
Was sich an den Wurzeln abspielt
Pflanze steht über ihr Wurzelsystem mit vielerlei Mikroorganismen in Kontakt, die sowohl schädlich als auch nützlich für sie sein können. Nützliche Mikroben sorgen für Nährstoffmobilisierung und -effizienz, schützen vor Pathogenen, fördern das Wachstum, erhöhen die Stressresilienz oder verbessern Bodenstruktur und Kohlenstofffluss. Die wohl bekannteste Pflanzen-Mikroben-Interaktion ist die Symbiose der Wurzeln mit Mykorrhiza-Pilzen, wie sie laut Grossmann 80 % der Landpflanzen, auch die meisten der Nutzpflanzen, eingehen. Dabei hilft der Pilz mit seinem viel feineren Geflecht, Nährstoffe für die Pflanze besser verfügbar zu machen, wie beispielsweise Phosphor. Blaualgen oder symbiontische Stickstofffixierer, wie Rhizobien, sorgen dafür, aus atmosphärischem Stickstoff Ammonium her- und der Pflanze zur Verfügung zu stellen. Im Gegenzug erhalten die Symbionten von der Pflanze Zucker. Experimentell sei bereits nachgewiesen, dass „wenn einer nicht bezahlt, der andere die Lieferung einstellt und aggressiv wird“.
Mikroben schützen auch gegen Pathogene: „Wenn gutartige Mikroben die Wurzel besiedeln, haben dort andere, potenziell schädliche einfach weniger Platz.“ Darüber hinaus gebe es Antibiotika produzierende Mikroorganismen, wie beispielsweise Bacillus subtilis, der bereits in Landwirtschaft und Gartenbau genutzt wird. Zunutze machen könnte man sich auch Parasiten, die Pflanzenpathogene befallen. Eine weitere interessante Methode aus der Natur sei die sogenannte Induzierte Systemische Resistenz (ISR), bei der ein Organismus (nicht das Pathogen) Warnstoffe aussendet, die von der Pflanze wahrgenommen werden, die daraufhin ihr Immunsystem hochfährt, um vor Auftreten des Pathogens gewappnet zu sein.
Mikroorganismen können Pflanzenhormone, so zum Beispiel Auxine, produzieren, um die pflanzliche Wachstumsentwicklung zu beeinflussen. „Mikroben können auch dazu beitragen, dass Pflanzen stärker stressresistent werden etwa gegen Hitze oder Dürre, wie das genau funktioniert, ist noch nicht ganz erforscht“, teilte der Referent mit. „Vermutlich durch osmoprotektive Substanzen, die den Wasserhaushalt der Pflanzenwurzeln stabilisieren.“
Nicht direkt an der Pflanze, aber durchaus für sie interessant seien die Einflüsse von Mikroorganismen auf die Bodenstruktur und den Kohlenstofffluss. So könnten Mikroben die Wasserhaltekapazität des Bodens verändern, indem sie Poren verschließen. Außerdem könnten sie organischen Kohlenstoff binden.
Welchen Beitrag kann Grundlagenforschung leisten?
Prof. Dr. Grossmann nannte drei Bereiche, in denen die Grundlagenforschung der landwirtschaftlichen und gärtnerischen Praxis nützlich sein kann: Dies sei zum einen die Risikoreduktion für Ertrag und Qualität durch erforschte Bodenmikroben, die Nutzpflanzen stressresistenter machen oder den Krankheitsdruck reduzieren. Punkt zwei sei ein Beitrag zur nachhaltigen Produktion, indem Mikroben erforscht werden, die die Nährstoffverfügbarkeit verbessern und sich damit mineralische Düngemittel einsparen lassen, oder Mikroben, die die Wurzelarchitektur positiv beeinflussen. Zum Dritten würden entlang der gesamten Agrar-Wertschöpfungskette Innovationen stattfinden, wie das Seedcoating oder neue Methoden der Bodenbewirtschaftung.
Bei all dem gebe es nicht den einzelnen „Wunderkeim“, sondern Grundlagenforschung könne dazu beitragen, Wirkmechanismen besser zu verstehen, wie die einzeln erforschten Komponenten zusammenwirken. So eben im äußerst komplexen System Boden: Wie lassen sich Applikation und Wirkung von Biostimulanzien optimieren?
Die aktuellen Forschungsthemen bei CEPLAS im Bereich Wurzel-Mikroben-Interaktionen sind: Intermikrobielle Wechselwirkungen, die zeigen, wie sich Mikroben gegenseitig beeinflussen. Immunität des Wirts, sprich: Welche Auswirkungen auf die Interaktion mit den Mikroorganismen hat die Immunabwehr der Pflanze? Und last but not least der Stoffaustausch: Welche Stoffe werden zwischen Pflanzen und Mikroben ausgetauscht?
Ein Problem der Grundlagenforschung sei, dass Komplexität sehr stark reduziert werden müsse und oft nur Einzelaspekte erforscht sind. Alle Faktoren, die im System Boden-Pflanze-Mikroben eine Rolle spielten, wie Witterung, Nährstoffe oder Wasser, beeinflussten sich gegenseitig. Im Labor würden aber viele Faktoren ausgeschaltet, um eine Antwort auf eine bestimmte Frage zu bekommen. Diese Erkenntnis dann für Bedingungen in der Praxis auf dem Acker zu transferieren, sei oft schwierig. Dennoch gebe es Beispiele, die in die Praxis eingeflossen sind.
Interessante Forschungsthemen
So werde an einer Phagen-Therapie für Pflanzen geforscht. Phagen sind Viren, die Bakterien angreifen. In der Medizin macht man sich das schon zu Nutze. Jedes Bakterium, auch Pflanzenpathogene, hat eigene Viren, also Bakteriophagen, die sehr spezifisch wirken. Experimentiert wurde mit Phagen an Pflanzen gegen Xanthomonas campestris. Der Transfer in die Praxis unter Feldbedingungen steht noch aus.
Bei einer anderen Fragestellung wurde festgestellt, dass das Mikrobiom, also die Gesamtheit der um die Pflanzenwurzel herum verteilten Mikroorganismen, nicht an allen Stellen die gleiche Zusammensetzung hat. Dies hängt wohl damit zusammen, dass in unterschiedlichen Zonen der Wurzel unterschiedliche Zucker und Aminosäuren freigesetzt werden. So könne die Pflanze beeinflussen, welche Mikroben sich in ihrer unmittelbaren Umgebung befinden.
Als weiteres Beispiel aus der Grundlagenforschung stellte Grossmann vor: An der Universität Lüttich konnte der Stoff gefunden werden, der das nützliche Bodenbakterium Bacillus subtilis wirksam macht. Dieses Bakterium bildet Surfactin (Lipopeptid), das die Immunabwehr der Pflanze steigert, etwa gegen Botrytis cinerea.
Soweit der Einblick des Professors in die Grundlagenforschung, die letztlich für die Praxis interessant sein kann. Dank des Projekts TransPlant sei die Hochschule Rhein-Waal nun mit im Boot, die an der Anwendung forscht und damit schon näher an der Praxis ist. TransPlant setze auf Partnerschaft mit der Landwirtschaft und auch mit der Industrie, um das Potenzial von Grundlagenforschung für Gesellschaft und Wirtschaft besser auszuschöpfen.
Sabine Aldenhoff