Graz, Austria
January 11, 2020
With their expertise in microbiome research, the researchers at the Institute of Environmental Biotechnology were able to demonstrate how a specific bacterium inside the seeds of rice plants effectively and in an eco-friendly way inhibits destructive plant pathogens.
Researchers from TU Graz, working in an international team, identified a bacterium in rice seeds that can lead to complete resistance to a specific pathogen and is naturally transmitted from one generation of plants to another. © Mengcen Wang
Rice is the staple food of about half the world's population. The cultivation of the rice plant is very water-intensive and, according to the German aid organization Welthungerhilfe, around 15 per cent of rice is grown in areas with a high risk of drought. Global warming is therefore becoming increasingly problematic for rice cultivation, leading more and more often to small harvests and hunger crises. Crop failures caused by plant pathogens further aggravate the situation. Here, conventional agriculture is trying to counteract this with pesticides, which are mostly used as a precautionary measure in rice cultivation. The breeding of resistant plants is the only alternative to these environmentally harmful agents – and currently only moderately successful. If the plants are resistant to one pathogen thanks to their breeding, they are usually more susceptible to other pathogens or are less robust under adverse environmental conditions.
Bacterium confers pathogen resistance
For this reason, an international research group which includes the Institute of Environmental Biotechnology at Graz University of Technology has been studying the microbiome of rice plant seeds for some time now in order to establish correlations between plant health and the occurrence of certain microorganisms. The group has now achieved a major breakthrough. They identified a bacterium inside the seed that can lead to complete resistance to a particular pathogen and is naturally transmitted from one plant generation to another. The findings published in the scientific journal Nature Plants provide a completely new basis for designing biological plant protection products and additionally reducing harmful biotoxins produced by plant pathogens.
The microbiome of rice
In conventional rice cultivation in the Chinese province of Zhejiang, it was observed that one genotype of rice plants (cultivar Zhongzao 39) sometimes develops resistance to the plant pathogen Burkholderia plantarii. This pathogen leads to crop failures and also produces a biotoxin that can cause organ damage and tumours in persistently exposed humans and animals. "Up to now, the sporadic resistance of rice plants to this pathogen could not be explained," says Tomislav Cernava from the Institute of Environmental Biotechnology at Graz University of Technology. Together with the luminary of microbiome research and Institute head, Gabriele Berg, and his institute colleague Peter Kusstatscher, Cernava has been investigating the microbiome of rice seeds from different cultivation regions in detail in the context of a collaboration with Zhejiang University (Hangzhou) and Nanjing Agricultural University in China as well as with the Japanese Hokkaido University in Sapporo.
Bacterial composition as a decisive factor
The scientists found that the resistant plants have a different bacterial composition inside the seeds than the disease-susceptible plants. The bacterial genus Sphingomonas in particular was found significantly more often in resistant seeds. The researchers therefore isolated bacteria of this genus from the seeds and identified the bacterium Sphingomonas melonis as the responsible agent for disease resistance. This bacterium produces an organic acid (anthranilic acid), which inhibits the pathogen and thereby renders it harmless. "This also works when the isolated Sphingomonas melonis is applied to non-resistant rice plants. This automatically makes them resistant to the plant pathogen Burkholderia plantarii," explains Tomislav Cernava. In addition, the bacterium establishes itself in certain rice genotypes and is then passed on naturally from one plant generation to the next. "The potential of this finding is enormous. In the future, we will be able to use this strategy to reduce pesticides in agriculture and at the same time achieve good crop yields,” emphasizes Cernava.
This research is anchored in the Field of Expertise "Human & Biotechnology", one of five strategic foci of Graz University of Technology.
original publication:
Bacterial seed endophyte shapes disease resistance in rice.
Haruna Matsumoto, Xiaoyan Fan, Yue Wang, Peter Kusstatscher, Jie Duan, Sanling Wu, Sunlu Chen, Kun Qiao, Yiling Wang, Bin Ma, Guonian Zhu, Yasuyuki Hashidoko, Gabriele Berg, Tomislav Cernava, Mengcen Wang. Nature Plants, 2020. DOI: 10.1038/s41477-020-00826-5
Resistente Reispflanzen: TU Graz identifiziert Bakterium, das Reispflanzen vor Krankheiten schützt
Mit ihrer Mikrobiom-Expertise konnten Forschende des Instituts für Umweltbiotechnologie nachweisen, wie ein Bakterium im Sameninneren von Reispflanzen zerstörerische Pflanzenpathogene wirksam und umweltfreundlich hemmt.
Forschende der TU Graz identifizierten im internationalen Team ein Bakterium im Reissamen, das zu vollständiger Resistenz gegen ein bestimmtes Pathogen führen kann und auf natürliche Weise von einer Pflanzengeneration auf die andere übertragen wird. © Mengcen Wang
Reis ist für etwa die Hälfte der Weltbevölkerung das Hauptnahrungsmittel. Der Anbau der Reispflanze ist sehr wasserintensiv und erfolgt zudem laut Welthungerhilfe zu rund 15 Prozent in Gebieten mit hohem Dürrerisiko. Die steigende Erderwärmung wird für den Reisanbau daher zunehmend problematisch und führt immer öfter zu geringen Ernten und Hungerkrisen. Ernteausfälle durch Pflanzenpathogene verschärfen die Situation zusätzlich. Hier versucht die konventionelle Landwirtschaft mit Pestiziden entgegenzusteuern, die zumeist vorsorglich bei der Reiskultivierung eingesetzt werden. Resistente Pflanzenzüchtungen sind die einzige Alternative zu diesen umweltschädlichen Mitteln – und derzeit nur mäßig erfolgreich. Sind die Pflanzen dank ihrer Züchtung resistent gegen ein Pathogen, werden sie meist anfälliger für andere Pathogene oder sind weniger robust unter widrigen Umweltbedingungen.
Bakterium führt zu Pathogenresistenz
Eine internationale Forschungsgruppe unter Beteiligung des Instituts für Umweltbiotechnologie der TU Graz untersucht daher seit einiger Zeit das Mikrobiom von Reispflanzensamen, um Korrelationen zwischen der Pflanzengesundheit und dem Vorkommen bestimmter Mikroorganismen festzustellen. Die Gruppe erzielte nun einen großen Durchbruch: Sie identifizierte ein Bakterium im Sameninneren, das zu vollständiger Resistenz gegen ein bestimmtes Pathogen führen kann und auf natürliche Weise von einer Pflanzengeneration auf die andere übertragen wird. Die im Fachjournal Nature Plants veröffentlichten Erkenntnisse bieten eine vollständig neue Basis, um biologische Pflanzenschutzmittel zu designen und zusätzlich Biotoxine, die von Pflanzenpathogenen gebildet werden, zu reduzieren.
Das Mikrobiom von Reis
Beim konventionellen Reisanbau in der chinesischen Provinz Zhejiang wurde beobachtet, dass bei einem Genotyp von Reispflanzen (Kultivar Zhongzao 39) manchmal Resistenzen gegenüber dem Pflanzenpathogen Burkholderia plantarii auftauchen. Dieses Pathogen führt zu Ernteausfällen und produziert zudem ein Biotoxin, das bei fortdauernd exponierten Menschen und Tieren zu Organschäden und Tumoren führen kann. „Bis dato ließ sich die vereinzelt auftretende Resistenz der Reispflanzen gegenüber diesem Pathogen nicht erklären“, sagt Tomislav Cernava vom Institut für Umweltbiotechnologie der TU Graz. Gemeinsam mit der Koryphäe der Mikrobiomforschung und Institutsleiterin Gabriele Berg und seinem Institutskollegen Peter Kusstatscher hat Cernava daher im Rahmen einer Kooperation mit den chinesischen Universitäten Zhejiang (Hangzhou) und Nanjing sowie mit der japanischen Hokkaido University in Sapporo das Mikrobiom von Reissamen aus verschiedenen Regionen im Detail untersucht.
Bakterienzusammensetzung als entscheidender Faktor
Die Wissenschafterinnen und Wissenschafter stellten fest, dass die resistenten Pflanzen eine andere Bakterienzusammensetzung im Sameninneren haben als die krankheitsanfälligen Pflanzen. Besonders die bakterielle Gattung Sphingomonas war signifikant häufiger in resistenten Samen zu finden. Die Forschenden haben daher Bakterien dieser Gattung aus den Samen isoliert und das Bakterium Sphingomonas melonis als Wirkungsträger identifiziert. Dieses Bakterium produziert eine organische Säure (Anthranilsäure), die das Pathogen lähmt und dadurch unschädlich macht. „Das funktioniert auch, wenn das isolierte Sphingomonas melonis auf nicht-resistente Reispflanzen aufgebracht wird. Sie werden dadurch automatisch gegen das Pflanzenpathogen Burkholderia plantarii resistent“, erklärt Tomislav Cernava. Zusätzlich etabliert sich das Bakterium in bestimmten Reis-Genotypen und wird dann auf natürliche Weise von einer Pflanzengeneration auf die nächste weitergetragen. „Das Potential dieser Erkenntnis ist enorm. In Zukunft wird man auf diese Strategie zurückgreifen können, um Pestizide in der Landwirtschaft zu reduzieren und gleichzeitig gute Ernteerträge zu erzielen“, betont Cernava.
Diese Forschung ist an der TU Graz im Field of Expertise „Human & Biotechnology“ verankert, einem von fünf strategischen Schwerpunktfeldern.
Originalpublikation:
Bacterial seed endophyte shapes disease resistance in rice.
Haruna Matsumoto, Xiaoyan Fan, Yue Wang, Peter Kusstatscher, Jie Duan, Sanling Wu, Sunlu Chen, Kun Qiao, Yiling Wang, Bin Ma, Guonian Zhu, Yasuyuki Hashidoko, Gabriele Berg, Tomislav Cernava, Mengcen Wang. Nature Plants, 2020. DOI: 10.1038/s41477-020-00826-5
Topics
Species
