Symbiont-Pflanze-Pathogen Interaktionen

Leguminosen sind eine Hauptquelle für vegetarischen Proteinbedarf und wegen ihres Vermögens, Symbiosen mit Bodenbakterien und -pilzen einzugehen, unerlässlich für eine nachhaltige Landwirtschaft. Durch Stress verursachte, unvorhersehbare Schwankungen von Ertrag und Gewinn sind die Haupthemmnisse der weltweiten Leguminosen- Produktion. Die Erbse (Pisum sativum L.) ist eine der ältesten domestizierten Kulturpflanzen. Für P. sativum ist Mycosphaerella pinodes einer der aggressivsten Krankheitserreger. Der Pilz verursacht reduziertes Wachstum und erhebliche Ertragsverluste durch Verwundungen des photosynthetisch aktiven Gewebes der Pflanze. Obwohl positive Effekte auf Legumiosen-Wachstum und Qualität durch die dreiteilige Symbiose (Leguminosenwurzel + Rhizobium + Mycorrhizapilz) gemessen wurden, gibt es noch immer keine genaueren Untersuchungen zu diesem Einfluss auf das Abwehrverhalten bei Pathogenattacken. Da dieser gegenseitige Suppressions- und Interaktionsmechanismus noch nicht verstanden ist soll eine detaillierte Studie durchgeführt werden. Diese Art von systembiologischer Studie wird eine Fülle von molekularbiologischen Daten erzeugen, die in Datenbanken abgelegt werden, auf die später Wissenschaftler der Pflanzen- und Agrarwissenschaften zugreifen können. Die Ziele dieses Projekts sind: 1. Die Aufdeckung der pathogen-induzierten, und wirts-vermittelten, Einflüsse auf die Effizienz der unterirdischen Symbionten (Rhizobien und/oder Mycorrhizae). 2. Die Beschreibung der Auswirkungen von unterirdischen Symbionten- und oberirdischen Pathogen- Interaktionen auf die Physiologie und den Metabolismus der Wirtspflanze. 3. Die Aufklärung von wirts-vermittelten Effekten der unterirdischen Symbionten auf den Wirkungsgrad des oberirdischen M. pinodes auf P.sativum. Ein Versuchsdesign bestehend aus den folgenden drei Faktoren wird durchgeführt werden: a) unterschiedlichen Wurzelbehandlungen, b) dem Genotyp der Pflanze und c) dem Blatt-Pathogenen Pilz. Um solch komplexe Interaktionen zu verstehen und Veränderungen des metabolischen Zustandes schnell und akkurat zu erkennen, werden neuste technologische Verfahren zur Identifizierung von Proteinen und Metaboliten basierend auf Massenspektrometrie, angewendet. Zusätzlich werden mikrobielle Infektiosität und Wirksamkeit, Krankheitsgrad, photosynthetische Effizienz, Nährstoffgehalt sowie Ausgleich und Ertrag bestimmt.

Erbse ist der Hauptwirt der Brennfleckenkrankheit (Ascochyta blight) und jährlich werden weltweit erhebliche Ernteeinbußen auf diese Krankheit zurückgeführt. Der Haupterreger in diesem Krankheitskomplex, der aus mehreren Pilzspezies besteht, ist Didymella pinodes. Der biochemische Abwehrmechanismus der Pflanze, der über eine Vielzahl von Stoffwechselwegen stattfindet, ist nur teilweise bekannt. Genauso umfangreich wie der Einfluss eines Krankheitserregers gestaltet sich auch die Auswirkung von nützlichen Mikroben auf den Stoffwechsel einer Pflanze. Im Fall von Leguminosen ist es die essentielle Beziehung mit Rhizobien-Bakterien, aber auch mit den weitverbreiteten Mykorrhiza Pilzen, die die Abwehr der Pflanze positiv beeinflussen können. In diesem umfangreichen Projekt wurden gezielte Untersuchungen zu möglichen Erreger-Wirt-Mikrosymbionten-Interaktionen durchgeführt. Dabei wurde eine pathogen-empfindliche Erbsensorte mit einer resistenteren Sorte verglichen. Die Forschungsgruppe fand heraus, dass die Mikrosymbionten im Boden einen starken Einfluss auf den Metabolismus und damit auch auf die Physiologie der gesamten Wirtspflanze haben. Wirkungsweisen und Wirkungsgrad sind sowohl vom Symbiont (Pilz, Bakterien), als auch von der Erbsensorte abhängig. Das Pathogen übt eine entwicklungshemmende Wirkung auf die Wirt-Symbiont-Interaktion aus. Dennoch verringert aber die Rhizobien-Symbiose den Umfang des Befalls und die Wirkung des Pathogens. Diese Induziert-Systemische Resistenz beschleunigt die Abwehrmechanismen der Pflanze und steigert die Produktion von Abwehrstoffen. Die Rhizobien-symbiotischen Pflanzen hatten also trotz Pathogenbefall ein besseres Wachstum und einen höheren Ertrag als die ausschließlich mit Stickstoff gedüngten Pflanzen. Besonders deutlich war dieser Effekt bei dem empfindlicheren Kultivar. Im Gegensatz dazu hatte bspw. die Co-Symbiose aus Rhizobien und Mykorrhiza einen ungünstigen Einfluss auf das Wachstum der getesteten Pflanzen- unabhängig davon, ob gesund oder befallen. Die Mikrosymbionten schienen sich in diesem Experiment gegeneinseitig zu hemmen. Die Mykorrhiza-Symbiose allein hatte hingegen keine klar verbessernde Wirkung auf die Pathogen-Abwehr im Blatt. Diese Studie gibt einen umfassenden Einblick in die verschiedenen Strategien der Verteidigungsmechanismen von Erbsenpflanzen gegen den pathogen Pilz und die Rolle der Mikroorganismen zur Verbesserung der Abwehr. Die Forscher folgern aus ihren Ergebnissen, dass Züchtungsstrategien für Leguminosen in Zukunft eine Rhizobium-Beimpfung unbedingt berücksichtigen sollten.