Interaktion von Nutzpflanzen und Beikraut im Boden

Die Reduktion des Herbizideinsatzes ist ein wichtiges Ziel für unsere Gesellschaft und Umwelt, da die Besorgnis über das zunehmende Auftreten von herbizidresistentem Beikraut und die ökologisch nachteiligen Konsequenzen des Einsatzes von Herbiziden kontinuierlich wächst. Mehrere Arten von Zwischenfrüchten sind für die Unterdrückung von Beikraut bekannt und stellen eine ökologisch unbedenkliche Alternative zum Ausbringen von Herbiziden dar. Um den effizienten Einsatz von Zwischenfürchten zu ermöglichen ist allerdings ein besseres Verständnis der Mechanismen die zur Beikrautunterdrückung führen notwendig. Zusätzlich zur Konkurrenz um Ressourcen kann die Unterdrückung des Wachstums aus direkten Interaktionen der Pflanzenwurzeln resultieren. Wir konnten nachweisen, dass die Zwischenfrüchte Fagopyrum esculentum (Buchweizen) and Avena strigosa (Rau-Hafer) wachstumsunterdrückend auf Amaranthus retroflexus (zurückgebogener Amarant) wirken, was mit hoher Wahrscheinlichkeit der Wirkung von Wurzelexsudaten dieser Zwischenfrüchte zu verdanken ist. Diese Ergebnisse haben uns motiviert weiterführende Untersuchungen durchzuführen und wachstumsreduzierende Komponenten zu identifizieren. Damit werden die folgenden Hypothesen untersucht: (H1) Die ausgewählten Zwischenfrüchte erkennen die Präsenz heterospezifischer Nachbarpflanzen via interagierender Wurzelsysteme, was eine Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Exsudate zur Folge hat. (H2) Die Exsudation bestimmter Komponenten wird durch eine artspezifische Erkennung hervorgerufen, wohingegen die Exsudation anderer Komponenten durch die generelle Präsenz einer anderen Pflanze ausgelöst wird. (H3) Bestimmte Moleküle aus Wurzelexsudaten der Zwischenfrüchte haben eine wachstumsunterdrückende Wirkung. (H4) Wachstumsunterdrückende Effekte erfolgen aufgrund von Veränderungen des Transkriptoms von Arabidopsis thaliana (Acker-Schmalwand) und Brachypodium distachyum (zweigrannige Zwenke). (H5) Die Zusammensetzung der Wurzelexsudatedieser Pflanzenändertsich inAbhängigkeit der benachbarten Zwischenfruchtart. (H6) Vermeintlich wachstumsunterdrückende Komponenten können in landwirtschaftlichen Böden nachgewiesen werden. Unser methodischer Ansatz beinhaltet einen bereits validierten split-root Aufbau, welcher das differentielle Sammeln von Wurzelexsudaten zulässt. Dazu werden zuerst Versuche in inertem Glassand durchgeführt. Die differentielle chemische Analyse der Exsudate wird mit der Kombination von chromatographischen und akkuraten massenspektrometrischen Methoden erfolgen. Für die Identitätsbestätigung von signifikanten Substanzen werden Datenbanken mit akkurater monoisotopischer Masse und Fragmentspektren herangezogen. Danach werden Wurzelexsudate und Bodenlösungen von in Böden wachsenden Pflanzen gesammelt um das Vorkommen der identifizierten Substanzen unter Realbedingungen zu bestätigen. Darüber hinaus werden phänotypische Veränderungen sowie Veränderungen des Transkriptoms, die durch direkte Wurzelinteraktionen sowie durch ausgewählte Komponenten hervorgerufen werden in Arabidopsis thaliana und Brachypodium distachyum untersucht. Die Ergebnisse unserer Studie werden neue Erkenntnisse zur Interaktion von Pflanzen im Boden und wichtige Informationen zur Entwicklung und zum Einsatz von Beikraut- unterdrückenden Zwischenfrüchten beinhalten. Insgesamt kann mit dem Projekt ein weiterer Schrittin der Entwicklung neuer Anbaustrategien für ein verbessertes integriertes Unkrautmanagement erfolgen.

Die Hauptforschungsfrage in diesem Projekt, das in Zusammenarbeit zwischen dem Institut für Analytische Chemie der BOKU in Wien und AGROSCOPE in Changins, Schweiz, durchgeführt wurde, war, ob ausgewählte Zwischenfrüchte das Vorhandensein heterospezifischer Nachbarn über interagierende Wurzelsysteme erkennen können und dies zu einer systemischen Modifikation der Wurzelexsudation von Zwischenfrüchten führt. Des Weiteren wurde untersucht ob bestimmte Substanzgruppen und/oder spezifische Moleküle als Reaktion auf eine artspezifische Erkennung exsudiert werden, während andere Substanzen generell als Reaktion auf das Vorhandensein einer anderen Pflanze ausgeschieden werden. Dazu wurde die Zwischenfrucht so gepflanzt, dass deren Wurzeln auf zwei Kompartimente aufgeteilt sind. Das erste Kompartiment enthielt nur Wurzeln, die von der Zwischenfrucht stammen, während das zweite Kompartiment Wurzeln sowohl von der Zwischenfrucht als auch von einer benachbarten Art enthält. Dieser Aufbau ermöglicht das selektive Sammeln und Messen von Exsudaten, die aus einer Zwischenfrucht isoliert wurden, die ebenfalls in Gegenwart einer benachbarten Pflanze angebaut wurde. Das Sammeln der Wurzelexsudate und deren Analyse erfolgte mit neu entwickelten Extraktionsmethoden und auf hochauflösender Massenspektrometrie basierten ungezielten analytischen Workflows. Die wichtigsten biologischen Schlussfolgerungen aus unserer Forschung sind, dass sich das Wurzelexsudat-Metabolitenprofil der Zwischenfrüchte Buchweizen und Rauhafer als Reaktion auf benachbarte Pflanzen generell ändert und dass das Wurzelsystem und die Morphologie von Buchweizen und Rauhafer als auch jene der Beikrautarten Amaranth und Acker-Fuchsschwanzgras durch ihre Interaktion beeinflusst werden. Ein weiteres Ergebnis ist, dass eine Reihe von Verbindungen von den verschiedenen Zwischenfrüchten in Gegenwart verschiedener Beikräuter hochreguliert wurden. Während die Strukturaufklärung für diese Verbindungen noch nicht durchgeführt wurde, war ein Datenbankabgleich für einen kleinen Teil der hochregulierten Verbindungen erfolgreich, und ein Großteil der detektierten Verbindungen konnte Verbindungsklassen zugeordnet werden. Der Nachweis, dass Zwischenfrüchte Beikräuter scheinbar erkennen und ihre Exsudation modifizieren, hat eine wichtige Bedeutung für deren Verwendung zur Regulierung von Beikraut. Die Isolierung der Substanzen, die in der durchgeführten Arbeit ermittelt wurden, würde es ermöglichen, diese Verbindungen bezüglich ihrer Wirkung auf das Wachstum von Beikraut zu untersuchen. Gleichzeitig hat unser Projekt auch neue Forschungsfragen aufgeworfen: welche molekulare Struktur haben diese Verbindungen? Wie ist deren Stabilität und Persistenz im Boden? Welche Auswirkungen haben sie auf die Umwelt? Und ist es besser, Zwischenfrüchte als Mulch zu verwenden, oder ist ihre aktive Ausscheidung in Feld effektiver?