Sevilla, Spain and Leipzig/Halle, Germany
May 13, 2020
Based on a media release by Pablo de Olavide, University of Seville
Global warming will increase the proportion of plant pathogens in soils across the globe. Many of these plant pathogens also affect important food and medicinal plants, which is likely to have a long-term impact on the world population's food security. This is the result of an experimental study published in the journal Nature Climate Change with significant contribution by researchers from the German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv), Leipzig University (UL) and Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU).
A teaspoon of soil contains millions of microbes. Most of these soil organisms are beneficial to humankind: They regulate our climate, support the fertility of our soils, and help us produce food and fiber. Others, however, are capable of devastating entire crops, resulting in important economic losses and even human starvation. Diseases of widespread food crops regularly destroy entire harvests. At the end of the 1990s, one of the most common soil-borne cereal fungi, Fusarium, affected the wheat and barley production in North America, causing an annual loss of around one billion US Dollars.
A new study, conducted by an international team of scientists including researchers of iDiv, UL and MLU, provides experimental and global observational evidence that the proportion of soil-borne plant pathogens will increase in a warmer world. The researchers reveal the most common fungal plant pathogens found in soils across the globe, and suggest that soils are a critical reservoir of some of the most important plant pathogens worldwide. This is likely to affect many of the globally most important crops like wheat, sunflowers or vegetables, but also cosmetic or medicinal plants like Hibiscus and Aloe Vera as well as wild species serving as a food source for livestock.
Global atlas of soil-bound plant pathogens
The study also provides the first global atlas of soil-borne plant pathogens highlighting the locations on Earth where these organisms are more common today and will be in the near future. The projections take into account various so-called shared socio-economic pathways (SSPs), including sustainability, regional inequality and fossil-fueled development.
“The insights of this study are particularly valuable as they combine data from a global observation network with data from a targeted experiment,” says Prof Nico Eisenhauer, head of the Experimental Interaction Ecology group at iDiv and UL. “This allowed us to provide scientific proof for causal relationships between warming temperatures and increasing prevalence of pathogens in the soils across the globe.”
The researchers collected soil samples from 235 different locations across 6 continents and 18 countries, spanning an entire range of climates from deserts to tropical forests. Moreover, they used a warming field experiment located in Madrid. For the last decade, the experiment has been maintained by the laboratory of co-author Fernando T. Maestre, who cooperated with scientists at iDiv in 2019 during his sabbatical year at iDiv's synthesis center sDiv.
The team used DNA sequencing to investigate the association between the proportion of soil-borne pathogens and increases in temperature across different types of soil. The results made it possible to generate global maps showing the distribution of soil-borne pathogens today, and in thirty years’ time.
Highly populated world regions affected
This opens the door to predict what regions of our planet will be more vulnerable to future microbial plant pests. “Many of the soil-borne fungal taxa affect the health and productivity of economically important crops and wild species serving as food source for livestock worldwide,” says co-author Dr Carlos António Guerra, researcher at iDiv and MLU. “The impacts are likely to have implications for sustaining a growing human population especially in the least-developed countries, where the majority of people rely to a large degree on livestock and natural products supported by natural ecosystems.”
The study highlights that large regions of Asia, Africa, Australia and America contain high proportions of soil-borne plant pathogens. These regions correspond to warm climates such as those from hot deserts and tropical forests. The impacts of warming are particularly evident in soils across the Northern Hemisphere, towards the Arctic, as well as in South Africa, for which all the scenarios show a systematic temperature rise. Many of the affected areas also have a large human population as well as high growth rates, which might indicate potential future threats to their nutrition.
“Global warming is already here, and we will need to adapt to the consequences of decades of heavy fossil fuel consumption,” says the first author of the paper Dr Manuel Delgado-Baquerizo from the Pablo de Olavide University Sevilla. “Knowing more about how climate change is going to affect the microbial communities which control our capacity to produce food and fiber is fundamental for humanity, especially, if we are up to feeding a continuously growing global population.”
This study was made possible by iDiv’s synthesis centre sDiv, funded by the DFG - Deutsche Forschungsgemeinschaft (FZT-118).
Original Publication:
(Researchers with iDiv affiliation or sDiv sabbatical professor bold)
Delgado-Baquerizo, M., Guerra, C. A., Cano-Díaz, C., Egidi E., Wang, J.T., Eisenhauer, N., Singh, B. K., Maestre, F. T. (2020): The proportion of soil-borne pathogens increases with warming at the global scale. Nature Climate Change. DOI: 10.1038/s41558-020-0759-3
A short video explaining the topic can be found here
Klimawandel fördert im Boden lebende Erreger von Pflanzenkrankheiten
Wissenschaftler entwickeln Weltkarte künftiger Risikogebiete für Pflanzenproduktion
Die Klimaerwärmung wird weltweit zu einer Zunahme von bodengebundenen Krankheitserregern für Pflanzen führen. Darunter sind auch Krankheiten wichtiger Nahrungs- und Arzneipflanzen, was langfristig die Ernährungssicherheit und Lebensqualität der Weltbevölkerung gefährden könnte. Zu diesem Ergebnis kommt eine experimentelle Studie unter Beteiligung von Wissenschaftlern des Deutschen Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv), der Universität Leipzig (UL) und der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU), die im Fachmagazin Nature Climate Change veröffentlicht wurde.
Ein Teelöffel Erde enthält Millionen Mikroorganismen. Die meisten dieser Bodenorganismen sind für den Menschen von Nutzen, denn sie verbessern die Fruchtbarkeit der Böden, regulieren das Klima und helfen mit, Nahrungsmittel und andere Naturprodukte herzustellen. Andere hingegen vernichten als Krankheitserreger regelmäßig ganze Ernten und verursachen so massiven wirtschaftlichen Schaden oder gar Hungersnöte. Einer der am meisten verbreiteten Getreidepilze ist Fusarium. In Nordamerika betrug Ende der 1990er Jahre der durch diesen Erreger verursachte jährliche Verlust bei Weizen und Gerste rund eine Milliarde US-Dollar.
Steigende Bedeutung der Böden für die Gesundheit weltweit wichtiger Kulturpflanzen
Die aktuelle Studie eines internationalen Forscherteams mit maßgeblicher Beteiligung von iDiv, UL und MLU zeigt nun, dass die zunehmende Klimaerwärmung zur Vermehrung bodengebundener Krankheitserreger für Pflanzen beiträgt. Das könnte längerfristig die globale Ernährungssicherung gefährden, die derzeit auf relativ wenigen Pflanzenarten fußt. Betroffen davon sind Nutzpflanzen wie Weizen, Sonnenblumen oder Gemüse, aber auch solche, die für die Produktion von Kosmetika oder Arzneimitteln verwendet werden, zum Beispiel Hibiskus und Aloe Vera. Außerdem wären wildwachsende Pflanzenarten betroffen, die als Nahrung für Wildtiere dienen.
Dazu glichen die Forscher Beobachtungsdaten aus globalen Datenbanken mit Ergebnissen eines Langzeitexperiments ab. Sie nahmen Bodenproben an 235 verschiedenen Standorten auf sechs Kontinenten und in 18 Ländern und deckten so die gesamte Bandbreite von Klimabedingungen – von Wüsten bis hin zu tropischen Inseln – ab. Darüber hinaus nutzten sie Daten eines zehnjährigen Feldexperiments bei Madrid, das ein Forschungsteam um Co-Autor Fernando Maestre an der Universität Alicante durchführt. Die Zusammenarbeit zwischen Maestre und Wissenschaftlern am iDiv fand 2019 im Rahmen eines Sabbatjahres in iDiv‘s Synthesezentrum sDiv statt.
„Dass die Studie globale Beobachtungdaten mit Daten aus einem zielgerichteten Experiment verbindet, macht sie besonders wertvoll“, sagt Prof. Nico Eisenhauer, Leiter der Arbeitsgruppe Experimentelle Interaktionsökologie bei iDiv und der UL. „Dies ermöglichte es uns, wissenschaftlich zu beweisen, dass die weltweite Zunahme von Pathogenen in den Böden tatsächlich durch die Klimaerwärmung vorangetrieben wird.“
Erster globaler Atlas bodengebundener Pflanzenpathogene
Die Studie bietet außerdem einen ersten globalen Atlas bodengebundener Pflanzenpathogene und zeigt, wo auf der Erde diese heute am häufigsten vorkommen bzw. berechnet, wo sie unter verschiedenen Voraussetzungen zukünftig vorkommen werden. Für diese Modelle berücksichtigten die Forscher drei verschiedene Szenarien, welche wirtschaftlichen Pfade die globale Gesellschaft künftig beschreitet (sogenannte „shared socioeconomic pathways“ — SSPs): Nachhaltigkeit, regionale Ungleichheit sowie das Festhalten an fossilen Brennstoffen.
Die Ergebnisse ermöglichen es vorherzusagen, welche Regionen künftig besonders anfällig für mikrobielle Schädlingskrisen sind. So zeigte sich, dass die Böden weiter Teile Asiens, Afrikas, Australiens und Amerikas bereits hohe Anteile von Pflanzenpathogenen enthalten. Dabei handelt es sich um Regionen mit warmem Klima, wie heiße Wüsten oder tropische Wälder. Betroffenen sind aber auch menschenreiche Gebiete mit einem starken Bevölkerungswachstum.
Bevölkerungsreiche Weltregionen betroffen
„Die Folgen wirken sich wahrscheinlich auch auf die Ernährung der wachsenden Bevölkerung aus, insbesondere in den am wenigsten entwickelten Ländern, wo die Mehrzahl der Menschen weitestgehend von der Viehzucht und den Produkten abhängig sind, die von den natürlichen Ökosystemen ermöglicht werden“, sagt Co-Autor Dr. Carlos António Guerra, der bei iDiv und MLU forscht. Den stärksten Zuwachs an Pflanzenpathogenen zeigen die Modelle aber in den Böden der nördlichen Hemisphäre, nahe der Arktis und in Südamerika, wo bei allen Szenarien, selbst bei einer nachhaltigen Entwicklung, ein Anstieg der Temperatur vorhergesagt wird.
„Die Klimaerwärmung findet bereits statt, und wir müssen uns an die Folgen jahrelanger Nutzung fossiler Brennstoffe anpassen“, meint Erstautor Dr. Manuel Delgado-Baquerizo von der Pablo de Olavide-Universität Sevilla. „Das Wissen darüber, wie sich der Klimawandel auf die mikrobiellen Gemeinschaften im Boden und damit auf die Produktion von Nahrungsmittel und Naturfasern auswirken wird, ist überlebenswichtig. Dies ist umso mehr der Fall, wenn wir in Zukunft eine stetig wachsende Bevölkerung versorgen wollen.“
Diese Studie wurde von iDiv‘s Sythesezentrum sDiv ermöglicht und gefördert durch die DFG - Deutsche Forschungsgemeinschaft (FZT-118).
Originalpublikation:
(Forscher mit iDiv-affiliation oder mit längerem Gastaufenthalt bei iDiv fett)
Delgado-Baquerizo, M., Guerra, C. A., Cano-Díaz, C., Egidi E., Wang, J.T., Eisenhauer, N., Singh, B. K., Maestre, F. T. (2020): The proportion of soil-borne pathogens increases with warming at the global scale. Nature Climate Change. DOI: 10.1038/s41558-020-0759-3
Ein Erklärvideo zum Thema in englischer Sprache finden Sie hier.
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