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Pflanzenfreundliche Mikroben für eine nachhaltigere Landwirtschaft

Mit seiner Forschung im Rahmen des vom Europäischen Forschungsrat finanzierten Projekts BacBio (Mechanistic and functional studies of Bacillus biofilms assembly on plants, and their impact in sustainable agriculture and food safety) erhofft sich Diego Romero den Weg zu einer nachhaltigeren Landwirtschaft zu ebnen, die vermehrt auf nützliche Mikroben, jedoch weniger auf Pestizide und Fungizide setzt.

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Bakterielle Krankheiten sind für die industrielle Landwirtschaft gleichbedeutend mit einem schlimmen Albtraum. Sie reduzieren die Erträge, breiten sich wie ein Lauffeuer aus und schmälern die Gewinnspannen. Auch die entsprechende Reaktion der Landwirtschaft zog bisher nicht weniger katastrophale Folgen nach sich: Fungizide, Bakterizide und Nematizide, die auf Nutzpflanzen gesprüht werden, tragen nicht nur zur Umweltzerstörung bei, sondern können auch ihre Wirksamkeit gegen Mikroben in Obst und Gemüse verlieren. Laut Diego Romero, Professor in der Abteilung für Mikrobiologie an der Universität Malaga, ist es jetzt an der Zeit für neue Ansätze, die den Schwerpunkt auf Nachhaltigkeit legen. Mit dem vom Europäischen Forschungsrat finanzierten Projekt BacBio, das 2015 ins Leben gerufen wurde, will er eine Frage beantworten: Ist es möglich, Pflanzen zu schützen, indem die Pestizide teilweise durch nützliche Mikroben ersetzt werden, und dadurch eine Kontamination durch menschliche Krankheitserreger zu vermeiden? „Vielleicht besteht ein konzeptionelles Problem in der heutigen Landwirtschaft. Ich denke, wir sollten die Vorstellung mikrobenfreier Produkte hinter uns lassen. Stattdessen sollten wir versuchen, ein Gleichgewicht zwischen der mikrobiellen Belastung im Produkt sowie den Kollateralschäden, die wir der Umwelt zufügen, zu finden“, erklärt er. „Ich persönlich würde mich mehr dafür einsetzen, die Umweltschäden zu reduzieren, was der Landwirtschaft auf lange Sicht zugutekäme.“ Implizit erfordert dieser neue Ansatz eine Diversifizierung der Strategien. Die Umweltbedingungen sind nicht in allen Regionen gleich, und Gewächshauskulturen tragen zu einer höheren Komplexität bei. Das bedeutet, dass sich mikrobielle Krankheiten in verschiedenen Umgebungen unterschiedlich entwickeln werden und dass sich die möglichen Lösungen entsprechend unterscheiden müssen. Das Projekt BacBio ist wegweisend, indem es die extrazelluläre Matrix zweier Mikrobengemeinschaften (auch als Biofilme bekannt) untersucht. „Wir betrachten insbesondere Bacillus subtilis und Bacillus cereus, zwei miteinander verwandte Organismen mit ziemlich unterschiedlichen Funktionen. Ersterer ist ein Pflanzenschutzmittel, während letzterer für den Menschen pathogen ist. Durch die Untersuchung dieser beiden Bodenmikroben, die mit Pflanzen zusammenleben, können wir die chemischen Unterschiede zwischen ihren jeweiligen extrazellulären Matrizen verstehen. Die Idee besteht darin, den Nutzen von B. subtilis für Pflanzen zu potenzieren und gleichzeitig B. cereus zu reduzieren oder zu vermeiden“, fügt Romero hinzu.

Die Rolle der Proteine

Eines der bisher bemerkenswertesten Projektergebnisse bezieht sich auf die Art und Weise, wie der Bacillus sich anpasst, um in komplexeren Umgebungen wie Pflanzen zu leben. „Bei B. subtilis konnten wir feststellen, dass Exopolysaccharide und ein hydrophobes Protein in der extrazellulären Matrix ein Schild bilden, das den Zugang fremder Zellen in die Kolonie behindert. Nach Entfernung dieser Komponenten kann eine andere auf Pflanzen lebende Mikrobe in die Bacillus-Kolonie eindringen“, merkt Romero an. Das Team charakterisierte auch ein Amyloid-Protein, das für das Zusammenfügen des Biofilms von Bacillus benötigt wird. Amyloide sind in der Natur weit verbreitet und können dazu beitragen, den physiologischen Zustand von Bakterienzellen zu bestimmen. Sie sind hauptsächlich für ihre Mitwirkung bei menschlichen Erkrankungen bekannt. Sie haben auch eine Doppelfunktion: Ein Mangel an Amyloiden führt zu einer erhöhten antimikrobiellen Produktion durch den Bacillus, während die Zellen innerhalb der Phylloplane (Blattoberfläche) empfindlicher auf seine Anwesenheit reagieren. „Wir glauben, dass der Bacillus diese beiden Rollen des Amyloids nutzt, um den Zellen komplementär zu ermöglichen, in der aggressiven Phylloplane zu haften, sich dort anzusiedeln und zu persistieren. Er bietet eine erfolgreiche Kontrolle von Pilzkrankheiten“, so Romero. Durch ein besseres Verständnis der Art und Weise, wie Bakterien von isolierten Einheiten in eine organisierte Gemeinschaft übergehen, die mit Pflanzen interagiert, könnte das Projekt einen beträchtlichen Einfluss auf den Bereich der Agrar-Biotechnologie gewinnen. Romero hofft, dass seine Erkenntnisse letztendlich die Herstellung nützlicher Mikroben zugunsten einer nachhaltigeren und diversifizierten Landwirtschaft ermöglichen werden.

Schlüsselbegriffe

BacBio, Landwirtschaft, Nachhaltigkeit, Mikroben, Pestizide, Fungizide, Bacillus

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22 Dezember 2020