Gezielte mikrobielle Manipulationen für mehr Pflanzenproduktion und -schutz
Mikroben sind wichtige Bestandteile der funktionellen biologischen Vielfalt, die dem Fluss des Pflanzenbestands in Ökosystemen zugrunde liegt. Aus dem Verständnis dieser funktionellen biologischen Vielfalt können Ansätze abgeleitet werden, die Nachhaltigkeit und Produktivität der europäischen Ernährungs- und Agrarsysteme natürlich zu verbessern. Im EU-finanzierten Projekt EcoStack(öffnet in neuem Fenster) sollten Ökosystemdienstleistungen synergetisch für maximale Wirksamkeit „gestapelt“ werden. Mit optimiertem Management der funktionellen biologischen Vielfalt und biologisch inspirierten Werkzeugen und Strategien zur Schädlingsbekämpfung können die Rentabilität der Landwirtschaft und der Umweltschutz gestärkt werden. Praktische Feldstudien wurden mit Modellierung und Simulationen ergänzt. Mit Letzteren wurde das hohe Maß an Variabilität über Raum und Zeit gelöst, das so oft beobachtet wurde. Außerdem konnten kontextspezifische, gestapelte Pakete an Ökosystemdienstleistungen auf die ökologische, wirtschaftliche und soziale Nachhaltigkeit geprüft werden.
Pilze und Bakterien in komplexen trophischen Netzwerken
Pflanzen- und Bodenmikrobiota (Mikroorganismen) erbringen wichtige Ökosystemdienstleistungen für die Landwirtschaft, insbesondere im Hinblick auf die natürliche Biokontrolle von Pflanzenschädlingen und Krankheitserregern sowie die Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit. „Diese komplexen trophischen Netzwerke interagierender Holobionten (die Wirte und die dazugehörigen Mikrobiota) liegen der Stabilität und Resilienz von Agrar-Ökosystemen zugrunde. Sind diese Interaktionen klar, können gezielte Strategien zur mikrobiellen Manipulation festgesetzt werden, um das Pflanzenwachstum und endogene Schutzbarrieren zu stärken“, erklärt der Projektkoordinator Francesco Pennacchio von der Universität Neapel Federico II(öffnet in neuem Fenster). Über EcoStack wurden verschiedene Stränge von zwei Pilzarten charakterisiert – Beauveria und Trichoderma – die natürlich vorkommen und als biologisches Pflanzenschutzmittel eingesetzt werden. Das Team untersuchte die Fähigkeit, das Pflanzenwachstum und Abwehrreaktionen gegen Pathogene und Insekten bei unterschiedlichen Umweltbedingungen anzuregen. Außerdem wurden wachstumsfördernde Rhizobakterien isoliert von kommerziellen und alten Tomatensorten bestimmt, die hauptsächlich zu den Gattungen Bacillus und Paenibacillus gehören.
Mikroben in mehrstufigen trophischen Energieflüssen
Das EcoStack-Team erkannte ein komplexes Netz aus trophischen Interaktionen in den unter- und oberirdischen Gemeinschaften. „Die Mikroben, die günstig für den Boden sind, regen Stoffwechselveränderungen in den Pflanzen an, die sie kolonisieren, wodurch sie wiederum verschiedene Änderungen auf mehrere trophischen Ebenen ergeben“, berichtet Pennacchio. Ein klarer Nachweis der wichtigen Rolle von Mikroorganismen für die Ressourcendynamik über mehrere trophische Ebenen hinweg ist bei günstigen Bodenpilzen sichtbar, die Tomatenpflanzen kolonisieren. Sie wirken sich negativ auf Mottenlarven aus. Das EcoStack-Team erkannte den Mechanismus – eine Störung der Darmmikrobiota der fressenden Raupe, durch die auch das Immunsystem des Schädlings unterdrückt wird. Letztgenannter Aspekt hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Entwicklung natürlicher Antagonisten von Insekten begünstigt wird.
Natürliche Instrumente für nachhaltige Pflanzenproduktion und Pflanzenschutz
„Mit dem Wissen zu den Mechanismen hinter den trophischen Interaktionen zwischen Mikroben, Pflanzen und höheren trophischen Ebenen können wir Kombinationen aus mikrobiellen Pflanzenschutzagenten erstellen, um synergistische Interaktionen und mehr Wirksamkeit zu erreichen“, so Pennacchio. Das EcoStack-Team verwendete auch von Mikroben abgeleitete Verbindungen, die sich auf die Interaktionen zwischen Schädlingen und ihren natürlichen Antagonisten auswirken, um Schädlinge und Krankheitserreger zu unterdrücken. Dabei wurden nicht die Organismen selbst als biologisches Mittel eingesetzt, sondern die molekularen „Waffen“ dieser Organismen. Über EcoStack wurde die Wissensgrundlage gestärkt, um wirksame und sichere naturbasierte Strategien, Werkzeuge und Technologien für eine nachhaltige Landwirtschaft zu entwickeln. Auch wurde das Potenzial gezielter mikrobieller Manipulation für mehr Pflanzenproduktion und -schutz nachgewiesen. Dank dem Projekt können europäische Landwirtschaftsbetriebe die Ökosystemdienstleistungen maximieren, um die Pflanzenproduktivität zu verändern und rentabel zu bleiben und gleichzeitig die Stabilität und Resilienz von Ökosystemen zu stärken. Mit brauchbaren Alternativen zu synthetischen Pestiziden hat das EcoStack-Team einen bedeutenden Beitrag zu der laufenden Debatte über die Richtlinie zur nachhaltigen Verwendung von Pestiziden(öffnet in neuem Fenster) geleistet und einen Rahmen für gemeinsames Handeln aufgestellt, um eine nachhaltige Verwendung von Pestiziden zu erreichen. Eine neue Ära der nachhaltigen Landwirtschaft steht bevor, in der Energieflüsse in trophischen Netzen zum Nutzen von Landwirtschaft, Verbrauchenden und der Umwelt eingesetzt werden.
