Das Projekt Multifruit hat eine Laufzeit vom 01.04.2021 bis 31.12.2023. Gefördert wird Multifruit durch die Graduate Research School (GRS) und durch die Antragsteller kofinanziert.

Das übergeordnete Ziel ist es zu verstehen, wie verschiedene Ansätze des Bodendecker-Managements gleichzeitig die Bereitstellung von Ökosystemleistungen (Schädlingsbekämpfung, Phytoremediation) und -dienstleistungen (Schädlingsbefall), Umweltverschmutzung (Schwermetallbelastung) und Biodiversität (Arthropoden und Bakterien) unter Berücksichtigung ihrer wirtschaftlichen Auswirkungen auf die Obstproduktion beeinflussen. Unser Ziel ist es, diese komplexen Wechselwirkungen zu verstehen, um Synergien zwischen den Ökosystemleistungen zu maximieren und gleichzeitig negative Auswirkungen der landwirtschaftlichen Produktion zu reduzieren ("Multifunktionalität von Produktionssystemen"; Hector und Bagchi 2007). Außerdem wollen wir durch die Betrachtung von Regionen mit unterschiedlichen klimatischen Bedingungen verstehen, wie sich diese Wechselwirkungen unter einem sich ändernden Klima verändern.

Das Projekt beinhaltet vier Forschungsprojekte, die jeweils ein Arbeitspaket beinhalten:

• WP1 Biologische Kontrolle & Schädlingsbefall (Birkhofer, de la Riva, BTU & Addison, SU)
• WP2 Kosten-Nutzen-Analyse (Wätzold, Sturm BTU & Hoffmann, SU)
• WP3 Ökotoxikologie (Raab, Sut-Lohmann BTU & NN, SU)
• WP4 Bakterielle Gemeinschaften in der Rhizosphäre und Phyllosphäre (Schierack, Rödiger BTU & NN, SU)

WP4 Bakterielle Gemeinschaften in der Rhizosphäre und Phyllosphäre

Im Boden leben Millionen von Mikroorganismen. Einige dieser Organismen schädigen Pflanzen, während andere das Pflanzenwachstum fördern oder die Ausbreitung von Pflanzenpathogenen verhindern. Das Klima hat einen großen Einfluss auf diese mikrobiellen Gemeinschaften im Boden (Dimpka et al. 2009, Sayer et al. 2017). Bakterien bilden einen "Schutzschild", einen Biofilm, um die Wurzelhaare. Biofilme machen Pflanzen effizienter in der Nutzung des verfügbaren Wassers (Timmusk et al. 2014). Weitere Vorteile des Biofilms für die Pflanzen sind: Die extrazelluläre Matrix, die durch den Biofilm gebildet wird, stellt der Pflanze eine nahezu unendliche Bandbreite an Makromolekülen zur Verfügung, die für die Entwicklung und das Wachstum der Pflanzen von Vorteil sind. Die Zusammensetzung der Mikroflora im Wurzelbereich (Rhizosphäre = Bereich des Bodens, der von den Wurzeln beeinflusst wird) ist einer der Faktoren, die die Anfälligkeit gegenüber Schädlingen wie Pilzen bestimmen (Schreiner et al. 2010). Auch die Phyllosphäre (Bereich, der von den Oberflächen der Blätter und Blattscheiden als Lebensraum gebildet wird) beherbergt eine Vielzahl von mikrobiellen Gemeinschaften, die sich zum Teil erheblich von denen im durchwurzelten Boden unterscheiden. Wie die Rhizosphäre ist auch die mikrobielle Besiedlung der Phyllosphäre stark von klimatischen Einflüssen abhängig und Bakterien der Phyllosphäre können den Wasserhaushalt von Pflanzen beeinflussen (Schreiber et al. 2005). Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit, Strahlung und andere Faktoren können zu signifikanten Veränderungen in Populationsdichte und -struktur führen. Bakterien mit antagonistischen Eigenschaften können gegen Pflanzenschädlinge eingesetzt werden.

Forschungsfrage

In diesem Teilprojekt sollen mikrobielle Gemeinschaften der Rhizosphäre und Phyllosphäre charakterisiert werden. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf mikrobiellen Gemeinschaften von Oberflächen, insbesondere innerhalb von Biofilmen. In Übereinstimmung mit den anderen WPs konzentrieren sich unsere Untersuchungen auf die Aspekte verschiedener Landschaften und klimatischer Bedingungen. Wir betrachten verschiedene Ansätze zum Management von Bodendeckern (Schädlingsbekämpfung, Phytosanierung) und berücksichtigen Parameter wie Schädlingsbefall und Kontamination.

Methoden

Der PI (Peter Schierack) charakterisiert seit mehr als 17 Jahren mikrobielle Gemeinschaften (Mikrobiota) bei Mensch und Tier, einschließlich aus der Umwelt isolierter Bakterien (Gülle, Kotproben). Die Mikrobiota wird genotypisch und phänotypisch charakterisiert. In den letzten Jahren wurde ein besonderes Augenmerk auf die Detektion und Charakterisierung von Biofilmen gelegt. Mit der eigens entwickelten VideoScan-Technologie können Biofilme automatisch und standardisiert detektiert werden. Im Gegensatz zu anderen Routinemethoden können damit Oberflächen automatisch auf folgende Biofilmparameter vermessen werden: Quantifizierung von Bakterien, Flächen-, Höhen- und Volumenmessung von Biofilmen, Live/Dead-Detektion von Bakterien, Zusammensetzung von komplexen Biofilmen (Abbildung 1). Diese Methode wird zur Messung von Biofilmen auf Sandkörnern, Blatt- und Fruchtoberflächen eingesetzt. Neben der eigenen VideoScan-Technologie haben sich in der Arbeitsgruppe weitere Methoden der Fluoreszenzmikroskopie etabliert: Konfokales Laser Scanning Mikroskop (CLSM); Stimulated Emission Depletion Mikroskop (STED-Mikroskop). Darüber hinaus verfügt die Arbeitsgruppe über umfangreiche Kenntnisse auf dem Gebiet der statistischen Bioinformatik zur Datenauswertung.

Wir werden Proben von verschiedenen Standorten vergleichen, die unterschiedliche klimatische Bedingungen repräsentieren. Die folgenden fünf Probentypen werden untersucht: 1) Wurzeln, 2) Bodenproben der Rhizosphäre, 3) Bodenproben außerhalb der Rhizosphäre, 4) Blattproben der Phyllosphäre, 5) Fruchtflächen der Phyllosphäre.

Wir werden die Mikrobiota von Wurzeln, Boden, Blättern und Früchten mittels 16S rDNA Sequenzierung analysieren. Basierend auf der Sequenzierung werden FISH-Sonden entwickelt, um die dominanten bakteriellen Spezies nachzuweisen. Wurzeln werden mittels FISH angefärbt, um die Bakteriengruppen zu quantifizieren. Bakterien innerhalb und außerhalb von Biofilmen werden mittels Fluoreszenzmikroskopie (VideoScan, CLSM, STED) quantifiziert. Schließlich sind Daten zur Biodiversität und Verteilung der Bakteriengemeinschaften verfügbar. Diese Daten werden mit relevanten Daten der anderen Teilprojekte korreliert.