Endophytische Pilze formen die Kernmikrobiota des Wurzelsystems um, um das Wachstum von Erdnüssen und die Krankheitsresistenz zu fördern

Endophytische Pilze formen das Kernmikrobiom des Wurzelsystems um, um das Wachstum von Erdnüssen und die Krankheitsresistenz zu fördern.

Pflanzenassoziierte mikrobielle Gemeinschaften werden oft als Erweiterungen der eigenen Gene und Funktionen des Pflanzenkörpers angesehen, die für ihr Wachstum, ihre Entwicklung und ihre Immunabwehr gegen Krankheiten entscheidend sind. Neben dem weit erforschten interwurzeligen Mikrobiom wurde dem endophytischen Mikrobiom des Wurzelsystems der Pflanze, das den Vorteil hat, unter nativen Umweltbedingungen mit dem Pflanzenwirt mitzuwirken, höhere Erwartungen hinsichtlich der Regulation des Pflanzenwachstums und der Krankheitsresistenz entgegengebracht. Pflanzenendophyten beeinflussen das Pflanzenwachstum und die -entwicklung direkt oder indirekt, und ihre funktionellen Werte reichen von der Verbesserung der Krankheitsresistenz bis zur Förderung des Pflanzenwachstums durch Stickstofffixierung oder Hormon- und Enzymsynthese. Insbesondere der Einfluss endophytischer Pilze auf den Pflanzenstoffwechsel und ihre umfangreiche Myzelnetzwerkabdeckung in Pflanzen verleihen endophytischen Pilzen das Potenzial, als Vermittler zwischen dem Wirt und dem endosymbiotischen Mikrobiom zu wirken, während endophytische Bakterien im endosymbiotischen Mikrobiom aufgrund ihrer großen Vielfalt eine Vielzahl ökologischer Dienstleistungen für den Wirt erbringen. Ein Ungleichgewicht und eine funktionale Störung dieser mikrobiellen Gemeinschaften können jedoch zu beeinträchtigtem Pflanzenwachstum und -entwicklung führen, was zu Krankheitsausbrüchen und Ertragsverlusten führt. Die Anwendung von Pflanzenprobiotika wird als nachhaltige landwirtschaftliche Anbaustrategie anerkannt, und die positiven Auswirkungen von Probiotika auf Wirtspflanzen gehen weit über die Funktion eines einzelnen Mikroorganismus hinaus. Es gibt zunehmende Hinweise darauf, dass die Umgestaltung des Mikrobioms unter verschiedenen Umweltbedingungen für die vorteilhaften ökologischen Dienstleistungen von Pflanzenprobiotika entscheidend ist.

Der endophytische Pilz Phomopsis liquidambaris konnte die Produktionsbarrieren, die durch kontinuierliches Anbauen von Erdnüssen verursacht wurden, signifikant lindern und den Erdnussertrag steigern. Eine effektive Besiedlung dieses Endophyten kann das Pflanzenwachstum, das Wachstum lateraler Wurzeln und Wurzelhaare, die Stickstoffaufnahme und -metabolismus fördern sowie die Pflanzenresistenz gegen biotische und abiotische Stressfaktoren erhöhen, unter anderem. Allerdings ist wenig über die mikrobielle Zusammensetzung des Kerns der Wurzelendophyten bekannt und die Auswirkungen seiner Variation auf die Pflanzengesundheit. Die Forscher vermuteten, dass die Besiedlung von P. liquidambaris den Kern der Wurzelendophyten-Mikrobiota zugunsten der Pflanzenanpassung umgestalten könnte, was den Pflanzen ermöglicht, in kontinuierlichen Böden gedeihen zu können.

Die Forscher bewerteten die Auswirkungen der Inokulation von endophytischen Ahorn-Nachahmungsstammknollenformen auf das Wachstum von Erdnusspflanzen in kontinuierlichen Böden und stellten fest, dass die Höhe und Biomasse der kontinuierlichen Pflanzen signifikant niedriger waren als die der nicht-kontinuierlichen Pflanzen. Für die Behandlungsgruppe, die mit P. liquidambaris inokuliert wurde, zeigten Erdnusspflanzen einen besseren Wachstumsvorteil in Höhe und Biomasse in allen reproduktiven Stadien, die signifikant höher waren als in der Kontrollbehandlungsgruppe, und der endgültige Ertrag war ebenfalls signifikant höher. Diese Ergebnisse zeigten, dass P. liquidambaris das Wachstum von Erdnüssen fördert und Erdnüsse unter kontinuierlichen Anbaubedingungen vor Krankheiten schützt. Gleichzeitig wurde das Auftreten von Wurzelfäule und Blattfleckenkrankheiten von Erdnüssen ohne Behandlung untersucht. Im Vergleich zur nicht-kontinuierlichen Anbau-Behandlungsgruppe war die Schwere der Blattfleckenkrankheit bei Fruchtansatz und der Wurzelfäule im Keimlingsstadium bei Erdnüssen, die unter kontinuierlichem Anbau wuchsen, signifikant erhöht, und die Krankheitsschwere stieg um 47,62% bzw. 113,37%. Die Schwere sowohl der Blattflecken- als auch der Wurzelfäulekrankheiten von Erdnüssen in kontinuierlichem Boden, der mit P. liquidambaris inokuliert wurde, verringerte sich signifikant um 27,41% bzw. 62,5% im Vergleich zu kontinuierlichem Boden. Darüber hinaus wurde der relative Gehalt an pathogenen Pilzen im Boden von Fusarium acuminatum und Colletotrichum-Anthraknose nach der Inokulation mit P. liquidambaris signifikant reduziert, wobei der relative Gehalt um 48,2% bzw. 70,16% reduziert wurde.

Abb. 1 Förderungseffekt von P. liquidambaris auf das Wachstum und die Krankheitsresistenz von Erdnusspflanzen

Darüber hinaus untersuchten die Forscher die Auswirkungen der Inokulation von P. liquidambaris auf die endophytische bakterielle Gemeinschaft von Erdnüssen und stellten fest, dass die Zusammensetzung der endophytischen bakteriellen Gemeinschaft zwischen den Behandlungen signifikant unterschiedlich war. Dies legt nahe, dass die Besiedelung von P. liquidambaris die Veränderungen der endophytischen bakteriellen Gemeinschaft in verschiedenen Wachstumsstadien der Pflanze auslöste und potenziell vorteilhafte Bakterien wie langsam wachsende Rhizobakterien und Streptomyceten anreicherte. Die NetShift-Analyse deutete darauf hin, dass Burkholderia spp., Rhizobium spp. langsam wachsend, Pseudomonas spp. und Streptomyces spp. möglicherweise die Schlüsseltaxa im endophytischen Kernmikrobiom des Erdnusswurzelsystems sind. Um die Auswirkungen der mit P. liquidambaris assoziierten endophytischen Bakterien auf die Gesundheit von Erdnusspflanzen zu bewerten, wurden 30 Stämme von Burkholderia spp., Rhizobium spp. langsam wachsend, Pseudomonas spp., Bacillus spp. und Bacillus spp. im Zusammenhang mit der Kernflora ausgewählt. Unter ihnen konnten 15 Stämme Stickstoff fixieren, 15 Stämme anorganischen Phosphor lösen, 10 Stämme Chitinase produzieren, 11 Stämme Xylanase produzieren und 6 Stämme Cellulase produzieren.

Zehn dieser Stämme mit potenziell wachstumsfördernden oder bakteriostatischen Aktivitäten wurden ausgewählt, um eine synthetische Kolonie zu konstruieren. Das Frischgewicht der Erdnusswurzeln, die mit der synthetischen Kolonie behandelt wurden, war um 37,08% höher als das der nicht geimpften Behandlung; das Frischgewicht der Pflanzen stieg um 34,06%. Darüber hinaus reduzierte die Inokulation synthetischer Kolonien das Auftreten von Erdnusswurzelfäule und den Gehalt an Fusarium acnes im Boden und förderte die Entwicklung der Erdnusswurzeln. Der endophytische Pilz P. liquidambaris allein und die synthetische Flora reduzierten die Schwere der Erdnusswurzelfäule um 51,26% bzw. 57,46%. Bei Erdnussreife erhöhte die Anwendung synthetischer Mykorrhizaflora signifikant die oberirdische Biomasse, die Wurzelbiomasse und den Erdnussertrag um 35,56%, 81,19% bzw. 34,31%.

Diese Studie bietet eine neue Perspektive, um die vielfältigen positiven Effekte von Probiotika, d.h. endophytischen Pilzen als Induktoren zur Verbesserung des Kernendophyten-Mikrobioms des Wurzelsystems zur Förderung des Pflanzenwachstums und der Krankheitsresistenz aufzuzeigen.

Abb. 2 Krankheitsresistenz und wachstumsfördernde Effekte der synthetischen Flora