Neuchâtel, Switzerland
September 6, 2011
Maize plants that have been inoculated with bacteria naturally present in the soil show improved resistance against a pathogenic fungus and a considerable reduction in the number of attacks by a herbivorous moth. It is the first time that such a double effect has been shown in maize. The results of these studies carried out at the University of Neuchâtel under the supervision of Brigitte Mauch-Mani have been presented at the PR-IR 11 congress on plant defences.
A pathogenic fungus responsible for a disease called anthracnose has been causing serious damage to cereal crops on the North American continent, especially during the 1970’s. “Colletotrichum graminicola is not limited to crops. It also affects golf courses, parks and private gardens where the grass changes to an unappealing brown colour, states Dirk Balmer, a PhD student in the molecular and cellular biology laboratory and co-author of the research. Luckily, the problem in Europe is not as serious since the cultivated varieties on this continent are naturally less sensitive to this disease.”
In order to test a way to improve the resistance of maize to this pathogen, Chantal Planchamp, the other principal co-author of this study and PhD student in the same group, inoculated the plants with a soil bacterium of the genus Pseudomonas. This microorganism is known to easily colonise maize seeds and roots without damaging the plant. The bacterium acts somewhat like a vaccine by halting the pathogenic fungus’s proliferation. Furthermore, it seems that the presence of the bacterium helps to limit the herbivorous moth’s attacks.
The origin of this double action protection of maize still needs to be clarified, particularly through the analysis of the mechanisms activated by the plant, such as the production of hormones or specific metabolites.
In parallel to the experiments of Chantal Planchamp, Dirk Balmer wanted to know how the plant reacts to a C. Graminicola infection. It turned out that an infection at the root zone triggers important resistance reactions that spread all the way to the leaves. An inverse effect (leaf to root) has also been shown, but not as pronounced. “It’s the first time that a study shows the effects of a systemic resistance caused by this infection. This was possible because the fungus attacks both the roots and leaves of maize”, adds Dirk Balmer.
Des bactéries pour améliorer la résistance du maïs
Des plantes de maïs auxquelles on a inoculé des bactéries naturellement présentes dans le sol affichent une meilleure résistance contre un champignon pathogène et voient le nombre d’attaques de certaines chenilles herbivores considérablement diminuer. C’est la première fois que ce double effet est démontré sur le maïs. Le fruit de ces recherches menées à l’Université de Neuchâtel sous la direction de Brigitte Mauch-Mani est présenté au congrès PR-IR 11 sur les défenses des plantes.
Le champignon pathogène provoquant une maladie nommée anthracnose provoque des dégâts dans les céréales du continent nord-américain, notamment dans les années 1970. « Colletotrichum graminicola ne touchent pas seulement les cultures. Ses ravages se propagent aussi sur les terrains de golf, parcs et jardins privés où le gazon vire vers une couleur brune peu engageante, relève Dirk Balmer, doctorant dans le laboratoire de biologie moléculaire et cellulaire, et co-auteur de l’étude. En Europe, le problème est heureusement moins grave, car les variétés cultivées sur ce continent sont naturellement moins sensibles à cette maladie.»
Pour tester un moyen d’améliorer la résistance du maïs à ce pathogène, Chantal Planchamp, autre co-auteur principale du travail et doctorante au sein du même groupe, a inoculé à la plante une bactérie du sol du genre Pseudomonas. Ce microorganisme est connu pour coloniser facilement les graines et les racines du maïs, sans toutefois provoquer de dommage à la plante. La bactérie agit un peu à la manière d’un vaccin, freinant la prolifération du champignon pathogène. De plus, il s’avère que la présence de cette bactérie parvient à limiter les attaques de la chenille herbivore.
L’origine de cette double action de protection du maïs doit encore être élucidée, notamment au travers de l’analyse des mécanismes activés par la plante, comme la production d’hormones ou de métabolites spécifiques
Parallèlement aux expériences de Chantal Planchamp, Dirk Balmer a voulu savoir comment la plante réagissait face à une infection de C. graminicola. Il apparaît ainsi qu’une infection ayant lieu au niveau des racines déclenche d’importantes réactions de résistance qui vont jusqu’aux feuilles. Un effet dans le sens inverse, mais dans une moindre mesure, a été également relevé. « C’est la première fois qu’une étude démontre des effets de résistance systémique provoqués par cette infection. Cela a été possible parce que le champignon s’attaque aussi bien aux feuilles qu’aux racines du maïs», note encore Dirk Balmer.
Bakterien zur Resistenzverbesserung beim Mais
Maispflanzen, deren Wurzeln mit Bakterien in Kontakt gebracht wurden, welche natürlicherweise im Boden vorkommen, zeigen nicht nur eine bessere Resistenz gegenüber einem pathogenen Pilz, gleichzeitig nehmen auch die Anzahl Angriffe bestimmter herbivorer Raupen beträchtlich ab. Diese doppelte Schutzwirkung konnte zum ersten Mal beim Mais nachgewiesen werden. Die Resultate dieser an der Universität Neuenburg unter der Leitung von Brigitte Mauch-Mani durchgeführten Forschungen werden am PR-IR 11-Kongress über die Abwehrstrategien von Pflanzen vorgestellt.
Urheber der Anthraknose genannten Krankheit ist ein pathogener Pilz, welcher in Nordamerika vor allem in den 1970er Jahren grosse Schäden an Getreide verursachte. «Colletotrichum graminicola beschränkt sich aber nicht nur auf Kulturpflanzen. Die von diesem Pilz verursachten Schäden greifen auch auf Golfplätze, Parks und Privatgärten über, wo sich der Rasen in der Folge unansehnlich braun verfärbt», erläutert Dirk Balmer, Doktorand am Labor für Zell- und Molekularbiologie und Koautor der Studie. «In Europa ist das Problem glücklicherweise weniger gravierend, denn die hier kultivierten Sorten sind von Natur aus weniger empfindlich gegenüber dieser Krankheit.»
Um zu testen, wie die Resistenz von Mais gegenüber diesem Krankheitserreger verbessert werden kann, hat Chantal Planchamp, Hauptautorin der Studie und Doktorandin derselben Arbeitsgruppe, Maispflanzen im Wurzelbereich mit Bodenbakterien der Gattung Pseudomonas in Kontakt gebracht. Diese Mikroorganismen sind dafür bekannt, dass sie Maiskörner und -wurzeln leicht besiedeln, ohne die Pflanze jedoch dadurch zu schädigen. Die Bakterien verhalten sich ein bisschen wie ein Impfstoff, indem sie die Vermehrung des pathogenen Pilzes bremsen. Ausserdem hat sich herausgestellt, dass durch die Anwesenheit dieser Bakterien auch die Angriffe einer herbivoren Schadraupe erheblich reduziert werden.
Der Ursprung dieses doppelten Schutzeffekts beim Mais muss noch genauer geklärt werden, insbesondere durch Analysen der von der Pflanze aktivierten Mechanismen wie beispielsweise der Produktion von Hormonen oder spezifischen Metaboliten.
Parallel zu den Experimenten von Chantal Planchamp wollte Dirk Balmer herausfinden, wie die Pflanzen auf eine Infektion mit C. graminicola reagieren. Es stellte sich heraus, dass eine Infektion im Wurzelbereich ausgeprägte Resistenzreaktionen auslöst, die bis ins Blattwerk reichen. Beim gleichen Experiment, das in entgegengesetzter Richtung durchgeführt wurde, konnten ebenfalls Reaktionen festgestellt werden, allerdings fielen sie weniger deutlich aus. «Es ist das erste Mal, dass in einer Studie aufgezeigt wird, dass diese Infektion systemische Resistenzwirkungen provoziert. Dies war möglich, da der Pilz nicht nur die Blätter, sondern auch die Wurzeln von Mais befällt», fügt Dirk Balmer hinzu.
Species
