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Bakterien als Leibwächter für Nutzpflanzen

14.01.2016 | Banner FoE Human & Biotechnology | Planet research | FoE Human & Biotechnology

Von Robert Ernst-Kaiser für TU Graz research

Christin Zachow kämpft gegen Schaderreger und durch Klimawandel bedingten Stress von Kulturpflanzen. Mit Gabriele Berg vom Institut für Umweltbiotechnologie der TU Graz macht sie Bakterien dafür fit.

Seit 2011 sucht Christin Zachow im Projekt „New concepts for bioprocess development” nach alternativen Spritzmitteln.

„Leibwächter für kostbare Saaten“. Hinter diesen vier Wörtern steckt eine jahrelange Forschungsarbeit des Instituts für Umweltbiotechnologie (UBT) und des Austrian Centre of Industrial Biotechnology (acib), die von der Steirischen Wirtschaftsförderung (SFG) mit dem  Fast Forward Award 2015 in der Kategorie „Forschungseinrichtungen“ ausgezeichnet wurde. Für das acib-UBT-Team um Christin Zachow, in dem auch zahlreiche NAWI-Studierende mitwirken, eine schöne Anerkennung ihrer umfangreichen Arbeiten: „Es ist eine Bestätigung für die jahrelange Arbeit und außerdem ist es durch solche Auszeichnungen leichter, in der Öffentlichkeit wahrgenommen zu werden.“ Als Kooperationspartnerinnen und -partner sind auch nationale und internationale Wirtschaftsunternehmen an Bord.

Alternativen zu Spritzmitteln

Doch was steckt nun hinter diesem  Projekt? Es geht darum, Alternativen zu Spritzmitteln zu finden, die Ackerflächen belasten. Ziel von Zachow und ihrem Team war und ist es, dass Schaderreger auf natürlichem Wege bekämpft werden können. Wie nun die ersten „Leibwächter für kostbare Saaten“ Schritt für Schritt entstanden sind, erklärt Zachow folgendermaßen: „Wir haben Moose, Flechten und  Pflanzen an ihren natürlichen Standorten in den Alpen beprobt und ihre assoziierten Mikroorganismen gewonnen. diese halten zusammen mit ihren Wirten extreme Bedingungen wie saure Böden, Nährstoffmangel, intensive UV-Strahlung oder  extreme Trockenheit aus. Im zweiten Schritt wurden die gewonnenen Mikroorganismen auf die Saaten von Kulturpflanzen appliziert. Diese nehmen dann genau jene Mikroorganismen auf, die sie zum Schutz brauchen können. Die Samen werden eingepflanzt und zwei Wochen später wird die Wurzel entnommen. Daraus werden dann einzelne Mikroorganismen isoliert, die sowohl an den extremen Standorten als auch an den Kulturpflanzen wachsen können. Kurz zusammengefasst: Dieses Verfahren aus der Kooperation von TU Graz und acib nutzt die wachstumsfördernden und vor Umweltstress schützenden Eigenschaften der Mikroorganismen von Extremstandorten für Kulturpflanzen.

Diese Vorgehensweise ist nun auf sehr viele Systeme übertragbar. „Denkbar ist es zum Beispiel, Pflanzen vor Trockenheit oder Versalzung zu schützen. Man sucht Mikroorganismen, die in Wüstengebieten beheimatet sind und zu den  gewünschten Kulturen passen“, so Zachow. In der salzigen Steppe von Usbekistan wurde im Rahmen eines EU-Projektes der TU Graz mit einem aktiven Bakterium ein hoher Ertrag an Gemüse gewonnen. Die Bakterien, die jede Pflanze braucht, passen sich an den Wirt an und schützen vor extremen Umweltbedingungen. Zachow: „Das funktioniert ähnlich wie beim menschlichen Darm, dessen Mikroflora die Gesundheit der Menschen unterstützt.“ Auch die Darmflora wird von Bakterien besiedelt und stellt ein komplexes bakterielles Ökosystem dar. Am Ende des gesamten Prozesses steht ein Samen, der von einer „Bakterienhülle“ umgeben ist.

Dreiteilige Abbildung zu Probenahme von Material aus extremen Standorten (A). Mikroorganismen von Moosen, Flechten und alpinen Primeln werden an das Saatgut gebracht (B). Von den Wurzeln der behandelten Mais-, Raps-, Sorghum- und Zuckerrüben werden Bakterien isoliert, die der Pflanze gegen Schaderreger und Umweltstress helfen.

Probenahme von Material aus extremen Standorten (A). Mikroorganismen von Moosen, Flechten und alpinen Primeln werden an das Saatgut gebracht (B). Von den Wurzeln der behandelten Mais-, Raps-, Sorghum- und Zuckerrüben werden Bakterien isoliert, die der Pflanze gegen Schaderreger und Umweltstress helfen.

Klimawandel und Spritzmittel

Dieses Verfahren soll laut Zachow vor allem den Folgen des Klimawandels den Wind aus den Segeln nehmen. Ernteausfälle häufen sich, weil Hitzeperioden und Trockenheit den Bauern zu schaffen machen. Glaubt man einer Studie von Wissenschafterinnen und Wissenschaftern der Universität Washington, dann haben die steigenden Temperaturen große Auswirkungen auf den Getreideanbau, so Klimaforscher David Battisti. Allein in den Tropen wird bis ins Jahr 2100 die Mais- und Reisernte nach Angaben der Wissenschafterinnen und Wissenschafter durch die höheren Temperaturen um 20 bis 40 Prozent zurückgehen. Aber auch ein zweiter Aspekt darf nicht vernachlässigt werden: Jährlich werden Anbaugebiete trotz des Einsatzes von Spritzmitteln zum Teil massiv von Schädlingen befallen. Zugleich leiden viele Nützlinge unter dem Einsatz der Chemie. So wurden dieses Jahr Meldungen bekannt, laut denen etwa Bienen durch den Einsatz von Neonicotinoiden sterben. Allein den letzten Winter haben durch die vorübergehende Aufhebung dieses Verbotes 28,5 Prozent der heimischen Völker nicht überlebt. Das meldeten Grazer Zoologen. „Nicht nur der Mensch, auch die Nutzpflanzen sind durch den Klimawandel gefordert. Dazu kommen auch Nährstoffmängel durch den Einsatz von Monokulturen“, so Zachow, die im Laufe ihrer Forschung zu diesem Projekt bei den heimischen Landwirten durchaus ein Umdenken bei diesem Thema erkennen konnte.

Sechsteilige Abbildung: Stressfaktoren versalzte Böden (A) und Trockenheitssymptome bei Zuckerrübe (B + C). D) Antagonistische Aktivität von einem Bakterium (rechts) gegen den Schaderreger Rhizoctonia solani (links). E) Keimung von Sorghum-Samen und (F) Besiedelung von Zuckerrübenwurzel mit Pseudomonas (rot) und Serratia (blau).

Stressfaktoren versalzte Böden (A) und Trockenheitssymptome bei Zuckerrübe (B + C). D) Antagonistische Aktivität von einem Bakterium (rechts) gegen den Schaderreger Rhizoctonia solani (links). E) Keimung von Sorghum-Samen und (F) Besiedelung von Zuckerrübenwurzel mit Pseudomonas (rot) und Serratia (blau).

Ein Blick in die Zukunft

Masterstudentin Christina Laireiter charakterisiert die Mikroorganismen und bildet verschiedene Cocktails. Und: Wie schon vorher erwähnt, ist die heimische Landwirtschaft von den Resultaten angetan. Dieser sollen nun die Resultate der  Forschungen noch schmackhafter gemacht werden. Die Nahrung wird es danach sicher sein. Denn das Ziel lautet: „Wir wollen gesunde Pflanzen und letztendlich eine gesunde Nahrung haben. Ein funktionierendes System im biologischen Pflanzenschutz ist eine echte Alternative zu Spritzmitteln“, so Zachow abschließend.

Die Konkurrenz für die Methode des acib ist groß. Rund 40 Milliarden Euro setzt die chemische Industrie jährlich mit Pflanzenschutzmitteln um, ein Drittel davon landet auf den Äckern der europäischen Union.

Kontakt

Gabriele BERG
Univ.-Prof. Dipl.-Biol. Dr.rer.nat.
Leiterin Institut für Umweltbiotechnologie, TU Graz
Petersgasse 12/I, 8010 Graz
Tel.: +43 316 873 8310
gabriele.bergnoSpam@tugraz.at, http://www.ima.tugraz.at

Christin ZACHOW
Dipl.-Biol. Dr.rer.nat.
Senior Scientist, ACIB GmbH
Petersgasse 12/I, 8010 Graz
Tel.: +43 316 873 8312 oder 8422
christin.zachownoSpam@tugraz.at, http://www.acib.at