Germany
October 26, 2023
Greenhouse experiments were conducted to investigate the joint response of wheat plants and their microbiota, ultimately providing new insights for climate-adapted wheat cropping systems. - © Davide Francois / ZALF
In Gewächshausversuchen wurden die gemeinsame Reaktion der Weizenpflanzen und ihrer Mikrobiota untersucht, um letztlich neue Erkenntnisse für klimaangepasste Weizenanbausysteme zu liefern. Quelle: © Davide Francois / ZALF.
In the joint project VolCorn, funded by the Leibniz Association and led by the Leibniz Centre for Agricultural Landscape Research (ZALF), a team of researchers has gained fundamental insights into how wheat plants respond to stress factors such as drought, flooding or pests in interaction with microorganisms in the plant and soil. The findings are important for breeding more resistant varieties and for the general understanding of plant-microbe interactions.
Agriculture in Europe is increasingly affected by extreme weather conditions that lead to crop losses. In 2018, the damage in Germany alone amounted to around 770 million euros. Making wheat plants more resilient to these stresses could make a significant contribution to safeguarding global food production.
As part of the VolCorn project, scientists from four non-university research institutions have been studying, from very different perspectives, how wheat plants and the microorganisms such as fungi and bacteria that colonize them respond to stress factors caused by extreme weather conditions such as drought, flooding or pests. The underlying assumption is that the microbiota, the community of microorganisms in and around the plant, is as important to the plant as microorganisms are to the human immune system. A better understanding of these interactions is therefore central to better preparing plants for these stress situations.
Volatile organic compounds (VOCs), which are produced by the plant and also used to "communicate" with the microbiota, play a key role in the plant's defense against these stressors. The researchers have used modern approaches to unravel these complex relationships. They used systems biology methods to study changes in plant metabolism and, at the same time, changes in the microbiota.
Microorganisms can help with climate stress
The research shows that floods and droughts not only generally reduce the growth and yield of wheat, but also change the microbiota in the roots and leaves. In particular, more pathogenic microbes colonize the early growth stages. As a result, stressed plants become more susceptible to disease.
To the researchers' surprise, however, beneficial bacteria also accumulate in the root zone during flooding, promoting the uptake of nutrients and vitamins by the plant. At the same time, the plant itself massively changes its metabolism. The researchers were able to show that the amino acid alanine plays a central role in maintaining nitrogen supply and metabolism in the stressed plants. "Presumably, the altered microbiota then makes more supporting vitamins available to support the weakened wheat metabolism in the root zone," explains project coordinator Steffen Kolb from ZALF.
Pest infestations affect the formation of VOCs by the wheat plant, which reacts to this form of stress with a defense response. The project also led to the development of a new tool for data analysis of complex mixtures of different VOCs using mass spectrometry, which will speed up follow-up studies.
New insights help breeders and farmers
"We hope that in the future we will be able to selectively enrich microbes and their plant-supporting properties to make wheat plants more resilient to climate change, such as flood stress," says Kolb. In plant breeding, for example, work is already underway on programs that encourage plant colonization with supportive microorganisms from the surrounding soil. Another example is the transfer of stress-reducing microorganisms to wheat plants.
"The knowledge gained from the multifaceted response of the wheat plant and its microbiota is of great importance for the breeding of climate-resistant wheat varieties and will open new avenues for the systematic management of microorganisms in agricultural crop production. However, further experimental research is needed due to the complex relationships involved," said the project coordinator.
Project partner:
- Leibniz Centre for Agricultural Landscape Research (ZALF) (coordination)
- Leibniz Institute of Vegetable and Ornamental Crops (IGZ)
- Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK)
- German Center for Integrative Biodiversity Research (iDiv)
Funding:
The VolCorn project was funded by the Leibniz Association with approximately one million euros as part of the Leibniz Competition 2019.
To the project website of VolCorn:
https://comm.zalf.de/sites/volcorn/SitePages/Home.aspx
Erkenntnisse für die Pflanzenzüchtung: Mit Mikroorganismen Weizenpflanzen gegen Klimastress wappnen
Im von der Leibniz-Gemeinschaft geförderten Verbundvorhaben VolCorn unter Leitung des Leibniz-Zentrums für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) hat ein Forschungsteam grundlegende Erkenntnisse darüber gewonnen, wie Weizenpflanzen im Zusammenspiel mit Mikroorganismen in Pflanze und Boden auf Stressfaktoren wie Trockenheit, Überflutung oder Schädlinge reagieren. Die Erkenntnisse sind wichtig für die Züchtung widerstandfähigerer Sorten und das generelle Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Pflanze und Mikroorganismen.
Die Landwirtschaft in Europa ist zunehmend von Wetterextremen betroffen, die zu Ertragseinbußen führen. Im Jahr 2018 beliefen sich die Schäden allein in Deutschland auf rund 770 Millionen Euro. Weizenpflanzen widerstandsfähiger gegen diese Belastungen zu machen, könnte einen entscheidenden Beitrag zur Sicherung der globalen Nahrungsmittelproduktion leisten.
Seit 2019 haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus vier außeruniversitären Forschungseinrichtungen im Projekt VolCorn aus ganz unterschiedlichen Perspektiven untersucht, wie Weizenpflanzen und die sie besiedelnden Mikroorganismen wie Pilze und Bakterien auf durch Wetterextreme hervorgerufene Stressfaktoren wie Trockenheit, Überschwemmungen oder Schädlinge reagieren. Dahinter steht die Annahme, dass die sogenannte Mikrobiota, also die Gemeinschaft von Mikroorganismen in und um die Pflanze, für diese ähnlich bedeutsam ist, wie Mikroorganismen für das Immunsystem des menschlichen Körpers. Ein besseres Verständnis über die Wechselwirkungen ist also zentral, um Pflanzen besser auf diese Stresssituationen vorzubereiten.
Eine Schlüsselrolle bei der Abwehr dieser Stressfaktoren spielen flüchtige Substanzen, so genannte VOC, die von der Pflanze produziert werden und die sie auch für die „Kommunikation“ mit der Mikrobiota nutzt. Mit modernen Ansätzen haben die Forschenden diese komplexen Zusammenhänge entschlüsselt. Dafür wurden Veränderungen im Pflanzenstoffwechsel untersucht und gleichzeitig die Veränderungen der Mikrobiota mittels systembiologischer Verfahren erfasst.
Mikroorganismen können bei Klimastress helfen
Die Forschungsergebnisse zeigen, dass Überschwemmungen und Dürren nicht nur generell das Wachstum und den Ertrag des Weizens verringern, sondern sich auch die Mikrobiota in den Wurzeln und Blättern verändern. Insbesondere in den frühen Wachstumsphasen siedeln sich mehr krankheitserregende Mikroben an. Die Folge: betroffene Pflanzen werden unter diesen Stressbedingungen anfälliger für Krankheiten.
Zur Überraschung der Forschenden reichern sich bei Überflutung aber auch nützliche Bakterien im Wurzelraum an, die die Nährstoffaufnahme und die Vitaminversorgung der Pflanze fördern. Die Pflanze selbst stellt zeitgleich ihren Stoffwechsel massiv um. Die Forschenden konnten zeigen, dass die Aminosäure Alanin dabei eine zentrale Rolle spielt, um in den gestressten Pflanzen die Stickstoffversorgung und den Stoffwechsel aufrecht zu halten. „Vermutlich stellt die veränderte Mikrobiota dann verstärkt unterstützende Vitamine zur Verfügung, um den geschwächten Weizen-Stoffwechsel im Wurzelraum zu unterstützen“, erklärt der Projektkoordinator Steffen Kolb vom ZALF.
Der Befall mit Schädlingen beeinflusst die Bildung von VOC der Weizenpflanze, die auf diese Form von Stress mit einer Abwehrreaktion reagiert. Dabei führte das Projekt auch zur Entwicklung eines neuen Werkzeugs zur Datenanalyse komplexer Mischungen verschiedener VOC mittels Massenspektrometrie, die Folge-Untersuchungen beschleunigen wird.
Neue Erkenntnisse helfen der Züchtung und der landwirtschaftlichen Praxis
„Wir hoffen, dass wir Mikroben und deren pflanzenförderliche Eigenschaften in Zukunft gezielt anreichern können und so Weizenpflanzen widerstandsfähiger gegenüber dem Klimawandel machen können, z. B. gegen Überflutungsstress“, so Kolb. In der Pflanzenzüchtung wird beispielsweise schon an Zuchtprogrammen für Kulturpflanzen gearbeitet, die die Besiedlung mit unterstützenden Mikroorganismen aus dem umliegenden Boden fördern. Ein weiteres Beispiel ist die Übertragung von stresslindernden Mikroorganismen auf Weizenpflanzen.
„Die Erkenntnisse aus dem vielschichtigen Antwortverhalten der Weizenpflanze und ihrer Mikrobiota sind für die Züchtung klimaresistenter Weizensorten von großer Bedeutung und werden neue Wege zu einem systematischen Management der Mikroorganismen in der landwirtschaftlichen Pflanzenproduktion eröffnen. Allerdings ist aufgrund der komplexen Zusammenhänge noch weitere experimentelle Forschung notwendig“, so der Projektkoordinator.
Projektpartner:
- Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) (Koordination)
- Leibniz-Institut für Gemüse- & Zierpflanzenbau (IGZ)
- Leibniz-Institut für Pflanzengenetik & Kulturpflanzenforschung (IPK)
- Deutsches Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv)
Förderhinweis:
Das Projekt VolCorn wurde von der Leibniz-Gemeinschaft im Rahmen des Leibniz-Wettbewerbs 2019 mit rund einer Million Euro gefördert.
Weitere Informationen:
Zur Projekt-Webseite von VolCorn:
https://comm.zalf.de/sites/volcorn/SitePages/Home.aspx
Topics
Species
