Wie Pflanzen-Pilz-Symbiosen die nachhaltige Landwirtschaft unterstützen
Arbuskuläre Mykorrhizapilze sind nützliche Bodenpilze. Sie verbinden sich auf natürliche Weise mit den Wurzeln der meisten Kulturpflanzen und verbessern auf diese Weise deren Aufnahme von Nährstoffen wie Phosphor und Stickstoff. „Diese Pilze können dazu beitragen, dass Nutzpflanzen widerstandsfähiger werden und die Abhängigkeit von synthetischen Düngemitteln verringert wird“, erklärt Stéphane Declerck, Projektkoordinator von MycUpscaling(öffnet in neuem Fenster) bei UCLouvain(öffnet in neuem Fenster) in Belgien. „Ihr Einsatz in der Landwirtschaft ist jedoch nach wie vor begrenzt, da arbuskuläre Mykorrhizapilze nur schwer großmaßstäblich produziert werden können. Sie sind von lebenden Pflanzen abhängig und werden daher meist in bodengebundenen Systemen in Gewächshäusern produziert.“ Diese Methode erfordert viel Platz und ist anfällig für Verunreinigungen. In-vitro-Systeme stellen zwar vielversprechende Alternativen dar, aber sie sind eher kostenintensiv und liefern häufig geringere Sporenausbeuten.
Wurzeln in biologische Fabriken verwandeln
Das Team des innerhalb der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) unterstützten Projekts MycUpscaling hat sich zum Ziel gesetzt, bessere Wege für eine effizientere Massenproduktion eines hochwertigen, schadstofffreien Inokulums aus arbuskulären Mykorrhizapilzen zu finden. Zu diesem Zweck wurde im Verlauf des Projekts ergänzendes Fachwissen von der Washington State University und von UCLouvain zusammengetragen. Die vorgeschlagene Lösung bestand darin, eine neue In-vitro-Produktionsplattform zu entwickeln, bei der die Wurzel der Wirtspflanze derart verändert wird, dass sie das Wachstum der arbuskulären Mykorrhizapilze besser fördert und unterstützt. „Die Idee lautete, die Lipidbiosynthese in der Wurzel zu steigern, den Lipidtransfer zu den arbuskulären Mykorrhizapilzen zu fördern und die Bildung lipidreicher Pilzsporen zu begünstigen“, erläutert Declerck. „In der Praxis bedeutete das, dass Wurzelorgankulturen in effizientere biologische Fabriken zur Produktion des Inokulums aus arbuskulären Mykorrhizapilzen verwandelt wurden.“ Die manipulierten Wurzeln wurden auf Besiedlung, Sporenbildung, Lipidakkumulation und Stoffwechselflüsse im Zusammenhang mit arbuskulären Mykorrhizapilzen getestet. Die leistungsstärksten Linien wurden außerdem in Hinsicht auf die Dynamik der Sporenproduktion, Sporenmorphologie und Netzwerkarchitektur bewertet.
Optimierter pflanzlicher Lipidstoffwechsel
Im Rahmen des Projekts wurden mehrere wichtige Fortschritte erzielt. Zuerst wurde ein breitgefächertes molekulares Instrumentarium zur Manipulation des pflanzlichen Lipidstoffwechsels entwickelt und validiert. Dazu zählten 116 genetische Konstrukte und mehrere technisch veränderte Wurzellinien, die die Biosynthese, den Transfer und den Transport von Lipiden modifizieren sollen. Zweitens ermittelte das Projektteam gentechnisch veränderte Wurzellinien, die die Sporenbildung der arbuskulären Mykorrhizapilze deutlich erhöhten, und es wurde demonstriert, dass durch die Veränderung von Wirtslipiden die Symbioseleistung verbessert werden kann. Projektintern wurden Machbarkeitsnachweisdaten generiert, die in direktem Zusammenhang mit dem Potenzial auf Maßstabserweiterung stehen. „Speziell eine ausgewählte technisch veränderte Linie erreichte einen 6,55-fachen Anstieg des Flächenindexes und einen 9,6-fachen Anstieg des Volumenindexes im Vergleich zur Kontrolle“, fügt Declerck hinzu. „Das verdeutlicht, dass durch das manipulierte System sowohl die Sporenhäufigkeit als auch die mit der Sporengröße zusammenhängenden Biomasseproxies des Inokulums verbessert wurden.“
Kulturpflanzenresilienz und Bodengesundheit stärken
Diese Arbeit wird nun im Rahmen des EU-finanzierten Projekts AMFactory fortgesetzt, das im Mai 2026 startete. Zu den nächsten Schritten zählt die Reproduktion und Erweiterung der Ergebnisse von MycUpscaling, um vielversprechende manipulierte Systeme in den Maßstab von bioreaktororientierten Anlagen zu bringen. In der Folge dessen werden Bewertungen der Produktionskosten, der Reproduzierbarkeit und der industriellen Durchführbarkeit möglich sein. „Der langfristige Nutzen all dieser Arbeiten besteht darin, dass Biodüngemittel auf der Basis arbuskulärer Mykorrhizapilze zuverlässiger, skalierbarer und erschwinglicher für die Landwirtschaft werden“, erklärt Declerck. „Im Erfolgsfall könnte diese Technologie den Landwirtinnen und Landwirten helfen, die Abhängigkeit von chemischen Düngemitteln zu verringern, die Effizienz der Nährstoffnutzung zu verbessern, die Widerstandsfähigkeit der Pflanzen gegenüber Dürre und anderen Stressfaktoren zu erhöhen und nachhaltigere landwirtschaftliche Betriebssysteme zu unterstützen sowie die Bodengesundheit zu fördern.“ Dies steht in direktem Einklang mit den Zielen des europäischen Grünen Deals(öffnet in neuem Fenster) und der Strategie „Vom Hof auf den Tisch“ (öffnet in neuem Fenster), da ein biologischer Weg zur Verringerung der Auswirkungen auf die Umwelt bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Pflanzenproduktivität gewiesen wird. „Die Arbeit von MycUpscaling hat ergeben, dass sich Pflanzen-Pilz-Symbiosen in vorteilhafte lebende Produktionssysteme verwandeln lassen“, fügt Declerck hinzu.
