Interaktionen von Bodenpilzen und Tomatenpflanzen

Pflanzen interagieren als dynamische, sensitive Organismen über ein komplexes Kommunikationssystem mit ihrer Umwelt. Trotz intensiver Forschungsarbeiten an Interaktionen zwischen Pflanzen bzw. Pflanzen und Mikroorganismen versteht man Kommunikationsmechanismen im Wurzelbereich heute erst ansatzweise. Man weiß, dass sich ober- und unterirdische Prozesse in der Pflanze gegenseitig beeinflussen und benachbarte Pflanzen die Entwicklung einer Pflanze fördern oder behindern können. Pflanzenkeimlinge werden bereits von einer Vielzahl von Mikroorganismen kolonisiert, die einen positiven oder negativen Einfluss auf die Entwicklung ihres Pflanzenwirts haben können. Sekundären Pflanzeninhaltstoffen kommt in diesen Prozessen eine wesentliche Bedeutung zu, beispielsweise in der Pathogenresistenz oder der Ausbildung von Farbe, Geschmack und Geruch. Zudem können sie als Antioxidantien gesundheitsfördernd wirken und stellen damit auch wichtige Qualitätsparameter dar. Unser Interesse gilt den Interaktionen von pathogenen und symbiotischen Pilzen in Mono- und Mischkulturen und umfasst ein Modellsystem bestehend aus dem Erreger der Tomatenwelke Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici, dem Mykorrhizapilz Glomus mosseae, und der Tomate. Zusätzlich werden Mischkulturen mit Pflanzen mit bekanntermaßen stimulierenden oder hemmenden Effekten auf die Tomate in den Versuchsansatz integriert. Ziel dieses innovativen Modellansatzes ist die Erforschung der Auswirkungen der Besiedelung der Wurzel mit verschiedenen Pilzen auf die Qualität des Stoffwechsels in unter- und oberirdischen Pflanzenorganen. Folgende Hypothesen getestet werden: (1) Die Besiedelung von Wurzeln mit pathogenen Pilzen und Mykorrhizapilzen bewirkt spezifische Veränderungen im Metabolitenprofil von Pflanzenorganen und Wurzelexsudaten der Wirtspflanzen; (2) über Wurzelexsudate beeinflussen diese Veränderungen im Metabolitenprofil die Entwicklung bodenbürtiger Pilze und (3) unterschiedliche Nachbarpflanzen stellen spezifische Einflussfaktoren auf diese Prozesse dar. Die Forschungsarbeiten sollen die wechselseitigen Beeinflussungen in Form von Verschiebungen im Stoffwechselprofil von Wurzeln, Spross und Früchten sowie von Wurzelexsudaten der untersuchten Pflanzen aufzeigen. Im Gegensatz zu zahlreichen bisher durchgeführten Untersuchungen stehen bei diesem Forschungsvorhaben vor allem multitrophische Effekte (oberirdisch-unterirdisch) und quasi-allelopathische Faktoren (Pflanze-Pflanze) im Zentrum der Betrachtungen. Die phytopathologische Betrachtung wird um eine ökologische Komponente erweitert und der innovativer Ansatz gleichzeitig auf seine Tauglichkeit getestet, verbesserte Einsichten zu erhalten.

Arbuskuläre Mykorrhizapilze (AMP) sind Organismen, die mit einer Vielzahl an krautigen Pflanzen, darunter verschiedenste wichtige Nutzpflanzen, Symbiosen eingehen können. Diese mutualistischen Beziehungen stellen für beide Partner einen deutlichen Vorteil dar. So beliefert die Pflanze den obligat biotrophen Pilz mit Kohlenstoff, der im Gegenzug Phosphor aus dem Boden aufnehmen und für die Pflanze nutzbar machen kann. Dieser symbiotischen Beziehung wird neben einer verbesserten Pflanzenernährung auch eine bedeutende Rolle in der Abwehr von Pflanzenkrankheiten, insbesondere verursacht durch pflanzenpathogene Bodenpilze, zugeschrieben. Im Sinne einer nachhaltigen Landwirtschaft könnte dadurch der Einsatz von Düngemitteln und chemischen Pflanzenschutzmitteln deutlich reduziert werden. Die Interaktionen von Pflanzen und Mikroorganismen in der Rhizosphäre, der unmittelbar durch eine lebende Wurzel beeinflusste Bereich im Boden, werden durch Wurzelexsudate nachhaltig bestimmt. Diese Zusammenhänge sind bislang aber noch nicht ausreichend untersucht. In der vorliegenden Arbeit wurde der Fokus auf die Rolle AMP in der biologischen Kontrolle des Bodenpilzes Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici (Fol) bei Tomaten in verschiedenen Mischkulturen gelegt. Von besonderem Interesse waren dabei die Wurzelexsudation und ihre Bedeutung für die Krankheitsentwicklung. In diesen Studien wurden Tomaten in Dualkultur mit Lauch, Gurke, Basilikum, Fenchel oder Tomaten selbst mit einem AMP-Inokulum, bestehend aus sechs verschiedenen AMP-Arten, und/oder Fol inokuliert und im Gewächshaus kultiviert. Der Mykorrhizierungsgrad von Tomatenwurzeln zeigte eine deutliche Abhängigkeit vom Mischkulturpartner. Darüber hinaus war ein Biokontrolleffekt durch AMP evident. Dies zeigte sich in einer Reduktion des Befalls mit Fol und/oder einer Kompensation der pflanzlichen Biomasse. Diese Effekte waren jedoch deutlich abhängig vom jeweiligen Mischungspartner. Lauch und Basilikum erwiesen sich vorteilhaft als Mischungspartner der Tomaten. Weiters wurde die Sporenkeimung von Fol in Tomatenwurzelexsudaten aus Mischkulturen, die mit nur einer einzelnen AMP-Art inokuliert waren, untersucht. Eine alleinige Inokulation mit AMP führte zu einer Zunahme der Fol-Keimung in den Gesamtexsudaten, eine Co-Inokulation mit AMP und Fol verringerte die Sporenkeimung in den Exsudaten hingegen. Die chemischen Analysen der Wurzelexsudate ergaben eine AMP-abhängige Zunahme von Zuckern und eine Abnahme von organischen Säuren. Darüber hinaus wurde eine Steigerung der Chlorogensäure in Wurzel-ausscheidungen von Tomaten, die mit AMP und Fol inokuliert waren, festgestellt. Die Arbeiten zeigen, dass die Pflanzengesundheit durch Interaktionen mit AMP positiv beeinflusst werden kann, diese Effekte jedoch vom jeweiligen Mischkulturpartner mitbestimmt werden. Die aufgezeigten Änderungen liefern zahlreiche Ansatzpunkte für weiterführende Untersuchungen über mögliche Folgewirkungen der dokumentierten Interaktionen auf andere Rhizosphärenbewohner und eine erfolgreiche Biokontrolle.