Good guys bad guys: Pflanzenmikrobiologie einmal anders gesehen. Das Leben in der Pflanze: Praktische Anwendungen für Pflanzenbau und Pflanzenschutz

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1 Good guys bad guys: Pflanzenmikrobiologie einmal anders gesehen Das Leben in der Pflanze: Praktische Anwendungen für Pflanzenbau und Pflanzenschutz Birgit Mitter, Friederike Trognitz, Clara Pogner, Günther Reichenberger

2 Gliederung Was sind Endophyten Good Guys Einsatz von Endophyten zur Verbesserung der Pflanzenwachstums an Beispielen Bad Guys Sind bad guys immer schlecht? Möglichkeiten der Nutzung von Endophyten als Herbizide Beispiel Ragweed Möglichkeiten der Erkennung von Pflanzenschädlingen am Beispiel des Golfrasens zur Verringerung des Fungizid Einsatzes 2

3 Was haben Magen und Pflanzenwurzeln gemeinsam? The human microbiome at the interface of health and disease Ilseung Cho & Martin J. Blaser Nature Reviews Genetics 13, (April 2012) Zehnmal mehr Bakterienzellen leben in menschlichen Körper als unsere eigenen Zellen. Das Gewicht von Mikroorganismen macht 1-3% Ein Gramm Boden der Rhizosphäre enthält mehr als 10 6 verschiedene Bakterienarten des menschlichen Gesamtgewichtes aus.

4 Die Pflanze ist Lebensraum für Mirkoorganismen. Rhizosphäre Endosphäre Phyllosphäre 4

5 Endophyten Mikroorganismen, Bakterien oder Pilze, die lebendes Gewebe kolonisieren, ohne die Pflanze zu schädigen. Pr RH Wurzeloberfläche Res Rt Inneres von Wurzeln Mitter et al., 2013 Photo credit: Stephane Compant (AIT) Rh Ex Co Xy 5

6 Pflanzenwachstumsregulation Biokontrolle Produktion von Pflanzenhormonen, Vitaminen, volatilen Stoffen Systemische Erworbene Resistenz (SAR) und Induzierte Systemische Resistenz (ISR) Co-Metabolismus Verdrängung und Signalstörung Stickstofffixierung N N 2 NH 3 2 NH3 NH N 3 2 Produktion von Antibiotika Ethylen Abbau Abbau organisch-chemischer Verbindungen H + Einschalten von Schwermetallresistenzgenen in der Pflanze Stress Reduktion H + H + H + H + H + Metallbindung durch bakterielle Aktivität Detoxifizierung 6

7 Endophyten induzieren erhöhte Stresstoleranz in Mais Birgit Mitter, Muhammad Naveed und Angela Sessitsch

8 Ziele der Studie die Auswirkung der Inokulation mit dem Endophyten B. phytofirmans PsJN auf die Biomasseproduktion von Mais unter Trockenstress zu untersuchen. die Auswirkung der Inokulation mit dem Endophyten B. phytofirmans PsJN auf die Photosyntheseleistung von Mais unter Trockenstress zu untersuchen. das Besiedelungsverhalten von B. phytofirmans PsJN unter Pflanzentrockenstress zu untersuchen.

9 Aufbau des Experiments B. phytofirmans PsJN - genomisch markiert mit gusa zwei Maissorten - Mazurka und Kaleo Oberflächensterilisierte Samen wurden 4h in Bakterienkultur eingelegt in Substrat zur Keimung ausgebracht drei Wochen alte Keimlinge wurden in 15kg Töpfe gefüllt mit lokaler Felderde gesetzt 48 Tage nach der Aussaat wurde die Wasserzufuhr für 14 Tage gestoppt Kontrollpflanzen wurden normal bewässert

10 Aufbau des Experiments Pflanzenagronomie: Pflanzen- und Wurzelbiomasse Pflanzenphysiologie: Photosynthese Pflanzenbesiedelung: Keimzahlbestimmung, Mikroskopie

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12 Wurzeltrockenmasse (g/plant) Pflanzenagronomie Control PsJN Inoculation 3,0 2,5 a a b ab 2,0 b b c 1,5 c 1,0 0,5 0,0 Mazurka Kaleo Mazurka Kaleo Normal H2O Drought (14 days)

13 Photosynthese [µmoles CO 2 cm -2 s -1 ] Pflanzenphysiologie 35 Control PsJN Inoculation Mazurka Kaleo Mazurka Kaleo Normal H2O Drought (14 days)

14 Photochemische Effizienz des PSII (Fv/Fm) Pflanzenphysiologie 0,86 Control PsJN Inoculation 0,84 0,82 b a ab a ab c a 0,80 c 0,78 0,76 0,74 0,72 Mazurka Kaleo Mazurka Kaleo Normal H2O Drought (14 days)

15 CFU/g Trockenmasse Pflanze bzw. Boden Besiedelung der Pflanzen und der Rhizosphäre 1,00E+06 9,00E+05 8,00E+05 7,00E+05 6,00E+05 5,00E+05 4,00E+05 3,00E+05 2,00E+05 1,00E+05 NH2O PsJN DH2O PsJN 0,00E+00 Rhizosphere Root Shoot Rhizosphere Root Shoot Mais cv. Mazurka und Kaleo

16 Besiedelung der Pflanze durch Stamm PsJN

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19 Schlussfolgerungen Endophytische Besiedelung durch B. phytofirmans PsJN minderte die negativen Auswirkungen von Trockenstress in Mais. Pflanzen- und Wurzelbiomasse waren erhöht in PsJN-besiedelten Pflanzen Photosyntheseleistung der Pflanzen war erhöht in PsJN-besiedeltem Mais PsJN besiedelte die Wurzelzone und Pflanze effizient. Die Lebensfähigkeit von Stamm PsJN wurde jedoch durch den Pflanzenstress beeinträchtigt. Das Genom enthält Informationen, mit denen wir die Daten des Experiments erklären können.

20 Laufende weiterführende Arbeiten Welchen Effekt hat eine gezielte Inokulation mit einem bestimmten Endophyten auf die natürlich vorkommende Endophytengemeinschaft in Mais. Wie erkennt ein Endophyt Pflanzenstress? Und welche Rolle spielen dabei Signalmoleküle an der Zelloberfläche von Bakterien? Transkriptomanalyse - Welche Gene werde in Stamm PsJN an- und ausgeschalten, wenn die Wirtspflanze Trockenstress hat?

21 Bad guys Neben positiven oder neutralen Effekten von Endophyten auf das Wachstum der Pflanzen können sie auch eine wachstumshemmende oder schädliche Wirkung auf die Pflanze haben

22 Endophyten für die Biokontrolle Defence against pathogens and pests Source FAO

23 NFB Projekt Biological control of the allergen producer ragweed (Ambrosia artemisiifolia) LS Kurier: Montag 26. August /27/

24 Ragweed (kleinblättriges Traubenkraut) eine invasive Pflanze mit hohem allergen Potential Ragweed Pollen ist ein starkes Allergen und verlängert die Pollensaison für Allergiker bis in den September. Kosten verursacht durch Ragweed Allergien werden mit 200 Mio. bis 1 Mrd. angesetzt Starke Zunahme von Ragweed Populationen in den letzten Jahren in ganz Österreich Ragweed ist ein Unkraut was vor allem in Sonnenblumenfeldern auftritt und dort zu großen Ertragsverlusten führt Es gibt keine Herbizide, das Ragweed selektive bekämpft 11/27/

25 Suche nach neuen Möglichkeiten zur Bekämpfung von Ragweed Probleme: Bisher keine Schädlinge gegen Ragweed gefunden (Ragweed stammt aus Nordamerika) Konventionelle Herbizide greifen nicht in Sonnenblumenfeldern, Belastung der Umwelt Lösung? BIOLOGICAL CONTROL OF WEEDS USING DELETERIOUS RHIZOBACTERIA

26 Biologische Kontrolle von Unkräutern durch Mikroorganismen Current biological weed control agents - their adoption and future prospects. Boyetchko, SM, Bailey, KL, De Clerck-Floate, 2009.RA, Prairie Soils & Crops Journal 26

27 Berendsen RL, Pieterse CMJ, Bakker PAHM (2012) The rhizosphere microbiome and plant health. Trends in Plant Science 17:

28 WP 2 Isolierung und Charakterisierung der Rhizobakterien und Endophyten Isolierung von Bakterien aus Ragweed 1 Standort Burgenland Illmitz Neusiedler See (Weingarten und Brache) 1 Standort B14 Landstraße Tulln 1 Standort Sooß NÖ Brache 1 Standort L401 Bad Waltersdorf 1 Standort Fürstenfeld Wiese zwischen Straßenrand und Feld 11/27/

29 Suche von Bakterien mit Bio-Herbizide Wirkung Charakterisierung der Bakterien bei 16S rrna und IGS Sequenzierung Test auf antimetabolische Substanzen HCN Produktion Toxin Produktion Coronatine Produktion Rhizosphäre Wurzeln Stängel Gasson Test HCN produzierende Stämme zeigen eine Blaufärbung Test an Samen und Keimpflanzen Test im Feld 11/27/

30 WP 1 Untersuchung der Verbreitung von Ragweed sensibilisierten Personen in Niederösterreich Primarius Univ.-Prof. Dr. Franz Trautinger Uwe E. Berger, MBA WP 5 Untersuchung des allergenen Potentials von Ragweed Pollen

31 Ragweed ist ein Problem! 11/27/

32 11/27/

33 11/27/

34 Pathogennachweis mittels DNA-Analyse Abteilung Pogner Clara Pilzgenetik und Genomforschung

35 Was wird nachgewiesen? Genetischer Fingerabdruck verschiedene Organismen nachweisbar Pilznachweis vor allem Pathogene Haus und Wohnbereich Gräser

36 Durchführung der Analyse DNA-Isolation aus Probe Vervielfachung bestimmter, einzigartiger DNA-Abschnitte Sichtbarmachen der DNA Je mehr desto dicker die Bande M A B1 B2 C1 C2 C3 C4 C5 C6 D1 D2 E1 E2 E3 E4 E5 E6 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 G M

37 Vorteile der DNA-Analyse Eindeutiger Nachweis von Pilzen Schneller Nachweis Teilweise mit anderen Methoden nicht möglich Kein Pilz sichtbar Keine spezifischen optischen Merkmale

38 Beispiele Hausfäulepilz Schimmelanalyse Rasenanalyse Rasenkrankheiten Sport- und Golfrasen Rasen in Gärten

39 Rasenanalyse Probenahme durch Kunden Analyse im Labor Ergebnis 24h nach Eintreffen im Labor Nachweis 19 Erreger Bestimmung aller Erreger bei Mischinfektionen

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41 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 11/27/