Pilze aus der Caatinga zeigen Potenzial im Kampf gegen landwirtschaftliche Krankheiten.

Eine Studie mit Pilzen der Gattung Trichoderma, die aus Böden der halbtrockenen Caatinga-Region isoliert wurden, ergab, dass einheimische Arten dieses Bioms neben einer hohen Hitzebeständigkeit und der Fähigkeit zur Anpassung an extreme Umgebungen auch wichtige Eigenschaften für die biologische Bekämpfung von Pflanzenkrankheiten besitzen.

Forscher untersuchten Pilze, die in Gebieten mit natürlicher Vegetation und bewässerten Melonenfeldern in den Bundesstaaten Bahia und Piauí gesammelt wurden. Insgesamt wurden 14 Isolate identifiziert, die fünf verschiedenen Trichoderma-Arten angehören: Trichoderma asperellum, Trichoderma asperelloides, Trichoderma koningiopsis, Trichoderma virens und Trichoderma spirale. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Zusammensetzung dieser mikrobiellen Gemeinschaften je nach Landnutzung und den chemischen Eigenschaften der Umwelt variiert.

Die Forschungsergebnisse bekräftigen, dass das Caatinga-Biom eine weitgehend unerforschte mikrobielle Vielfalt beherbergt, die Organismen umfasst, die an die widrigen Bedingungen von Hitze und Wasserknappheit angepasst sind. Diese Mikroorganismen könnten wichtige Verbündete bei der Entwicklung von Biofungiziden für eine nachhaltige Landwirtschaft in semiariden Regionen werden. 

Halbtrockene Region unter Druck

Die Caatinga ist das einzige ausschließlich in Brasilien vorkommende Biom und zeichnet sich durch geringe und unregelmäßige Niederschläge, hohe Temperaturen und eine an Trockenheit angepasste Vegetation aus. Trotz dieser widrigen klimatischen Bedingungen hat sich die Bewässerungslandwirtschaft im Nordosten Brasiliens, auch in dem von diesem Biom bedeckten Gebiet, stark ausgebreitet, vor allem für den Anbau von kommerziell wertvollen Nutzpflanzen wie Melonen.

Intensiver Anbau begünstigt jedoch das Auftreten bodenbürtiger Krankheiten, die schwer zu bekämpfen sind. Pilze wie Fusarium, Macrophomina, Rhizoctonia und Oomyceten – eine Klasse fadenförmiger Mikroorganismen, die Pilzen ähneln – wie Pythium verursachen Wurzelfäule und Welkekrankheiten, Krankheiten, die die landwirtschaftliche Produktivität drastisch reduzieren.

Laut Gabriel Mascarin, Forscher bei Embrapa Meio Ambiente (SP) und einer der Autoren der Studie, „ist das Verständnis der ökologischen Wechselwirkungen zwischen nützlichen Mikroorganismen und Krankheitserregern von grundlegender Bedeutung für die Entwicklung von Agrarstrategien, die weniger auf chemische Fungizide angewiesen und widerstandsfähiger gegenüber dem Klimawandel sind.“

Mikroskopische Kriegsführung im Boden

Pilze der Gattung Trichoderma sind weltweit bereits für ihr Potenzial zur Bekämpfung von Pflanzenkrankheiten bekannt. Sie wirken über verschiedene Mechanismen: Sie konkurrieren um Nährstoffe, parasitieren andere Pilze, produzieren toxische Substanzen gegen Krankheitserreger und können sogar natürliche Abwehrmechanismen der Pflanzen stimulieren, erklärt Wagner Bettiol, ebenfalls Forscher bei Embrapa Meio Ambiente.

Neben der biologischen Schädlingsbekämpfung fördern einige Arten dieser Gattung das Pflanzenwachstum und helfen den Pflanzen, Umweltbelastungen wie Dürre und Versalzung zu widerstehen.

In der Studie untersuchten die Forscher zwei Hauptmechanismen des Antagonismus zwischen Isolaten aus der Caatinga: die direkte Konfrontation – einschließlich Konkurrenz und Mykoparasitismus, einem Phänomen, bei dem ein Pilz einen anderen verzehrt, um Nährstoffe zu erhalten – und die Produktion flüchtiger Verbindungen, die in der Lage sind, das Wachstum von Krankheitserregern auch ohne physischen Kontakt zu hemmen.

Die Tests wurden gegen fünf Organismen durchgeführt, die landwirtschaftliche Krankheiten verursachen: Fusarium sulawesiense, Fusarium solani, Macrophomina phaseolina, Rhizoctonia solani und Pythium myriotylum.

Pilze, die sich an die Hitze angepasst haben

Eine der Forschungsergebnisse war, dass Isolate aus Melonenanbaugebieten eine höhere Hitzetoleranz aufwiesen als solche aus natürlichen Gebieten.

Wissenschaftler untersuchten das Wachstum von Pilzen bei Temperaturen bis zu 40 °C. Während alle Pilze bei 25 °C und 30 °C ein ähnliches Wachstum zeigten, traten signifikante Unterschiede erst bei 35 °C auf. Die Studie belegte somit, dass aus landwirtschaftlichen Böden isolierte Stämme von Trichoderma asperellum, Trichoderma asperelloides und Trichoderma virens eine überlegene Toleranz gegenüber Hitzestress aufwiesen.

Die Autoren interpretieren dieses Ergebnis als mögliche Widerspiegelung einer ökologischen Anpassung an die bewässerte landwirtschaftliche Umgebung der semiariden Region, in der hohe Temperaturen und thermische Schwankungen häufig auftreten.

Diese Hitzetoleranz wird als strategische Eigenschaft für zukünftige landwirtschaftliche Bio-Inputs angesehen, da viele kommerziell eingesetzte Mikroorganismen ihre Wirksamkeit verlieren, wenn sie in Klimazonen eingesetzt werden, die sich von denen unterscheiden, aus denen sie ursprünglich isoliert wurden.

Unterschiedliche Strategien gegen jede Krankheit

Bei landwirtschaftlichen Krankheiten zeigten Labortests, dass die biologischen Bekämpfungsmechanismen je nach Zielpathogen variieren.

Gegen Rhizoctonia solani und Macrophomina phaseolina war die direkte Konfrontation wirksamer. In diesen Fällen vermehrten sich Trichoderma-Isolate rasch auf den Pathogenen und dominierten deren Kolonien durch Konkurrenz und Parasitismus.

Gegen Pythium myriotylum und Fusarium-Arten, insbesondere Fusarium solani, spielten die von den Pilzen produzierten flüchtigen Verbindungen eine entscheidende Rolle. In einigen Fällen reduzierten die von den Isolaten freigesetzten Verbindungen das Pathogenwachstum um mehr als 70 %. 

Forscher heben hervor, dass verschiedene Trichoderma-Arten je nach Schädling im Boden unterschiedliche Strategien anwenden. Dies unterstreicht die Notwendigkeit, für jedes landwirtschaftliche System und jede Krankheitsart spezifische Stämme auszuwählen.

Unter allen untersuchten Isolaten erwies sich Trichoderma koningiopsis als das vielversprechendste. Es zeigte eine gleichbleibende Wirksamkeit gegen alle getesteten Pathogene und in verschiedenen Antagonismusmechanismen.

Andere Isolate, wie zum Beispiel Trichoderma virens, zeigten ebenfalls eine hohe antagonistische Aktivität, allerdings mit weniger einheitlichen Ergebnissen.

Die Sporenproduktion stellt eine industrielle Herausforderung dar.

Zusätzlich zu seiner Wirksamkeit bei der biologischen Schädlingsbekämpfung analysierten die Forscher auch die Fähigkeit zur Sporenproduktion. Sporen sind Fortpflanzungszellen, die auch bei Pilzen vorkommen und bei der Herstellung von kommerziellen Biofungiziden verwendet werden.

„Dieser Faktor ist entscheidend für die großtechnische Herstellung biologischer Produkte. In Brasilien werden die meisten Trichoderma-basierten Biofungizide immer noch durch Feststofffermentation mit Getreidekörnern hergestellt“, sagt Mascarin.

Im Experiment wurden die Pilze in parboiled Reis kultiviert. Die besten Sporenproduzenten waren Isolate der Arten Trichoderma asperelloides und Trichoderma asperellum, die nach zehn Tagen Kultivierung mehr als 1,4 Milliarden Konidien (asexuelle Sporen, die von einigen Pilzen produziert werden) pro Gramm Substrat erreichten.

Andererseits wiesen einige der gegen Krankheitserreger besonders aggressiven Isolate eine geringe Sporenproduktion auf, was darauf hindeutet, dass die Effizienz der biologischen Schädlingsbekämpfung und die industrielle Produktivität nicht immer Hand in Hand gehen.

Nach Ansicht der Autoren deutet dies darauf hin, dass verschiedene Trichoderma-Arten ihre Energie in unterschiedliche ökologische Strategien investieren: Einige priorisieren Konkurrenz und Antagonismus, während andere eine größere Reproduktionsfähigkeit aufweisen.

Der Boden beeinflusst die mikrobielle Biodiversität

Die Forschung zeigte auch, dass die chemischen Eigenschaften des Bodens die Verbreitung von Trichoderma-Arten stark beeinflussen. Die Forscher beobachteten, dass Trichoderma virens und Trichoderma asperellum mit Böden höherer Fruchtbarkeit, höherem Phosphorgehalt und höherem Gehalt an organischer Substanz assoziiert waren.

Trichoderma spirale hingegen schien mit saureren, aluminium- und eisenreichen Böden assoziiert zu sein – Merkmale, die typisch für weniger bewirtschaftete Naturräume sind. „Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die mikrobielle Zusammensetzung der Caatinga sowohl von natürlichen Gegebenheiten als auch von landwirtschaftlichen Praktiken geprägt wird“, erklärt Rodrigo Mendes, Forscher bei Embrapa Meio Ambiente.

Potenzial für eine widerstandsfähige Landwirtschaft

Die Autoren betonen, dass die Ergebnisse die Bedeutung der Erforschung der mikrobiellen Biodiversität Brasiliens unterstreichen, um landwirtschaftliche Lösungen zu finden, die an die lokalen Gegebenheiten angepasst sind.

Mit Mikroorganismen aus dem Caatinga-Biom hergestellte Biofungizide weisen möglicherweise eine höhere Überlebensfähigkeit, Persistenz und Effizienz in semiariden Umgebungen auf als importierte Produkte oder solche, die für andere Klimazonen entwickelt wurden.

„Darüber hinaus verringert der Einsatz biologischer Mittel die Abhängigkeit von synthetischen Fungiziden und trägt zu nachhaltigeren Agrarsystemen bei“, kommentiert Bettiol.

Die Forscher plädieren als nächsten Schritt für Feldversuche, um die Fähigkeit dieser Pilze zur Besiedlung von Melonenpflanzen zu bewerten und mögliche Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum und die landwirtschaftliche Produktivität zu untersuchen.

Sie schlagen außerdem vor, den Einsatz von mikrobiellen Konsortien zu untersuchen, indem verschiedene Arten oder Isolate von Trichoderma kombiniert werden, um den Schutz vor Krankheiten zu verbessern und die Widerstandsfähigkeit der Pflanzen gegen Wasser- und Hitzestress zu erhöhen.