Bern, Switzerland
August 10, 2023

Maize roots secrete certain chemicals that affect the quality of soil. In some fields, this effect increases yields of wheat planted subsequent to maize in the same soil by more than 4%. This was proven by researchers from the University of Bern. While the findings from several field experiments show that these effects are highly variable, in the long term they may yet help to make the cultivation of grains more sustainable, without the need for additional fertilizers or pesticides.

Plants produce an abundance of special chemicals. Some of these are released into the soil and influence its quality. This, in turn, affects the next plant to grow in the soil. So far, little research has taken place on the extent to which the excreted chemicals can be used in agriculture to increase productivity. Recently, however, researchers from the Institute of Plant Sciences (IPS) at the University of Bern have conducted field experiments in this area. With their findings published in the scientific journal eLife, the researchers demonstrate that specialized metabolitesfrom the roots of the maize plant can bring about an increase in the yields of subsequently planted wheat under agriculturally realistic conditions.

How maize root chemicals affect wheat

On the basis of earlier studies conducted by researchers at the Institute of Plant Sciences (IPS) at the University of Bern, it was known that so-called benzoxazinoids – natural chemicals which maize plants release through their roots – change the composition of microorganisms in the soil on the roots and therefore influence the growth of the subsequent plants that grow in the soil. The present study investigated whether plant-soil feedbacks of this kind also occur under realistic agricultural conditions. “Such field experiments are essential to test the transferability of basic research into practice and thus assess the potential agronomic benefit,” explains Valentin Gfeller, who worked on the project as a doctoral student at IPS and now works at the Research Institute of Organic Agriculture FiBL. During a two-year field experiment, two lines of maize were initially grown, only one of which released benzoxazinoids into the soil. Three varieties of winter wheat were then grown on the differently conditioned soils. On this basis, it was possible to demonstrate that the excretion of benzoxazinoids improves germination and increases tillering, growth and crop yield.

Fewer pests, same quality

In addition to the increased crop, lower levels of infestation by some pests were also observed. “A yield increase of 4% may not sound spectacular, but it is still significant considering how challenging it has become to enhance wheat yields without additional inputs,” explained Matthias Erb, Professor for Biotic Interactions at the Institute of Plant Sciences, who led the study together with Klaus Schläppi of the University of Basel. “Whether effects of this kind actually make a significant difference for overall agricultural productivity and sustainability remains to be seen, however, as yield also depends on many other factors,” explains Erb. The study demonstrates the potential of using specialized plant compounds to improve crop productivity through variety-specific rotations.

Within the framework of the “One Health” Interfaculty Research Cooperation (IRC) at the University of Bern (see box), it was also possible to investigate the quality of the wheat at the level of individual chemical elements. Together with the Institute of Geography of the University of Bern and Agroscope, the Swiss centre of excellence for agricultural research, it was possible to demonstrate that the increase in harvest due to benzoxazinoids does not have any negative impact on wheat grain quality.

Plant chemicals persist in the soil

To better understand the underlying mechanism, the researchers completed a variety of analyzes of the soil and roots. The benzoxazinoid-producing plants accumulated these chemicals  and their degradation products in the soil close to their roots. Furthermore, in collaboration with the University of Basel, it was confirmed that benzoxazinoids influence the community of bacteria and fungi in and on maize roots. However, soil nutrients were not altered. Benzoxazinoids also proved to be particularly persistent in the soil. The extent to which wheat growth and overall yield are directly or indirectly affected by benzoxazinoids through soil microorganisms will be subject to further investigation.

Soil properties are important

To test the effects of soil properties, together with the University of Basel and Agroscope, the research team conducted another two-year field experiment to investigate how these plant-soil feedbacks from benzoxazinoids act in a more heterogeneous field. The composition of the soil chemistry and microorganisms in the field in question varied considerably. The researchers succeeded in showing that the influence of benzoxazinoids on the growth and resistance of wheat depends on this different composition. “A better understanding of the effects of soil properties  on plant-soil feedbacks is crucial in terms of the future use in sustainable agriculture,” explains Valentin Gfeller.

Stoffe aus Maiswurzeln beeinflussen den Weizenertrag

Maiswurzeln sondern bestimmte Stoffe ab, die die Qualität des Bodens beeinflussen. In bestimmten Feldern steigert dieser Effekt den Ertrag von Weizen, der nach dem Mais im selben Boden angepflanzt wird, um mehr als 4 %. Dies konnten Forschende der Universität Bern nachweisen. Die Erkenntnisse aus mehreren Feldexperimenten zeigen zwar, dass solche Effekte stark variabel sind, aber dass sie langfristig doch dazu beitragen könnten, den Anbau von Getreide ohne zusätzlichen Dünger oder Pestizide nachhaltiger zu gestalten.

Pflanzen produzieren eine Fülle von spezialisierten chemischen Stoffen. Einige davon werden auch in den Boden abgegeben und beeinflussen so dessen Qualität. Das wiederum beeinflusst die nächste Pflanze, welche in diesem Boden wächst. Inwiefern die ausgeschiedenen Stoffe in der Landwirtschaft zur Steigerung der Produktivität einsetzt werden können ist noch wenig erforscht. Nun haben Forschende des Instituts für Pflanzenwissenschaften (IPS) der Universität Bern Feldexperimente dazu durchgeführt. Mit ihren Erkenntnissen, die im Fachjournal eLife publiziert wurden, weisen die Forschenden nach, dass chemische Stoffe aus den Wurzeln der Maispflanze bei nachfolgendem Weizen eine Ertragssteigerung herbeiführen können – und dies bei landwirtschaftlich realistischen Bedingungen.

Wie Maiswurzelstoffe den Weizen beeinflussen

Aus früheren Untersuchungen der Forschenden am Institut für Pflanzenwissenschaften (IPS) der Universität Bern war bekannt, dass sogenannte Benzoxazinoide – chemische Substanzen, welche Maispflanzen über ihre Wurzeln abgeben –, die Zusammensetzung von Mikroorganismen im Boden an den Wurzeln verändern und so das Wachstum der Folgepflanzen in diesem Boden beeinflussen. In der vorliegenden Studie wurde nun untersucht, ob solche sogenannten Pflanzen-Boden-Feedbacks auch unter landwirtschaftlich realistischen Bedingungen auftreten. «Solche Feldexperimente sind essenziell, um die Übertragbarkeit der Grundlageforschung in die Praxis und so einen möglichen agronomischen Nutzen zu testen» sagt Valentin Gfeller, der das Projekt als Doktorand am IPS bearbeitet hat und mittlerweile am Forschungsinstitut für biologischen Landbau FiBL tätig ist. In einem zweijährigen Feldexperiment wurden zuerst zwei Maislinien angebaut, wovon nur eine Benzoxazinoide in den Boden abgab. Anschliessend wurden drei Sorten von Winterweizen auf den unterschiedlich konditionierten Böden angebaut. So konnte gezeigt werden, dass die Ausscheidung von Benzoxazinoiden zu einem verbesserten Auflaufen, einer verstärkten Bestockung, einem erhöhten Wachstum und einem erhöhten Ertrag führt.

Weniger Schädlinge, gleiche Qualität

Neben dem erhöhten Ertrag wurde ein geringerer Befall durch bestimmte Schädlinge festgestellt. «Eine Ertragssteigerung von 4% klingt nicht spektakulär, ist aber doch signifikant, wenn man bedenkt, wie schwer es mittlerweile ist, Weizenerträge ohne zusätzliche Inputs zu steigern», sagt Matthias Erb, Professor für biotische Interaktionen am Institut für Pflanzenwissenschaften, der die Studie zusammen mit Klaus Schläppi von der Universität Basel geleitet hat. «Ob solche Effekte wirklich grossflächig in der landwirtschaftlichen Anwendung einen Unterschied machen, muss sich aber erst noch zeigen, da der Ertrag auch von vielen anderen Faktoren abhängt», sagt Erb. Die Studie zeigt das Potenzial der Nutzung von spezialisierten Pflanzenstoffen zur Verbesserung der Produktivität von Nutzpflanzen durch sortenspezifische Fruchtfolgen.

Dank Zusammenarbeiten im Rahmen der Interfakultären Forschungskooperation (IFK) «One Health» der Universität Bern (siehe Box) konnte auch die Qualität des Weizens auf der Ebene von einzelnen chemischen Elementen untersucht werden. Gemeinsam mit dem Geographischen Institut der Universität Bern und Agroscope, dem Kompetenzzentrum des Bundes für landwirtschaftliche Forschung, konnte gezeigt werden, dass die Steigerung des Ertrags durch die Benzoxazinoide keinen negativen Effekt auf die Qualität des Weizens hat.

Pflanzliche Stoffe überdauern im Boden

Um den unterliegenden Mechanismus besser zu verstehen, führten die Forschenden diverse Boden- und Wurzelanalysen durch. Benzoxazinoid-produzierende Pflanzen reicherten diese Stoffe und deren Abbauprodukte in wurzelnahem Boden an. Zudem konnte in Zusammenarbeit mit der Universität Basel bestätigt werden, das Benzoxazinoide die Gemeinschaft von Bakterien und Pilzen in und auf den Maiswurzeln beeinflusst. Dabei wurden aber die Bodennährstoffe nicht verändert. Die Benoxazinoide erwiesen sich zudem als besonders langlebig im Boden. Wie stark das Weizenwachstum und der Gesamtertrag von den Benzoxazinoiden direkt oder indirekt durch die Mikroorganismen im Boden beeinflusst wird, soll noch genauer untersucht werden.

Die Bodenbeschaffenheit ist entscheidend

Zur Prüfung der Auswirkungen von unterschiedlichen Umweltfaktoren hat das Forschungsteam zusammen mit der Universität Basel und Agroscope in einem weiteren zweijährigen Feldexperiment untersucht, wie sich diese Pflanzen-Boden-Feedbacks durch Benzoxazinoide auf einem heterogeneren Feld verhalten. Die Zusammensetzung der Bodenchemie und der Mikroorganismen auf diesem Feld variierten stark. Die Forschenden konnten zeigen, dass der Einfluss von Benzoxazinoiden auf das Wachstum und die Resistenz von Weizen von dieser unterschiedlichen Zusammensetzung abhängt. «Ein besseres Verständnis der Auswirkungen der Bodenbeschaffenheit auf Pflanzen-Boden-Feedbacks ist von entscheidender Bedeutung für die künftige Nutzung in der nachhaltigen Landwirtschaft», sagt Valentin Gfeller.

Website: http://www.unibe.ch

Published: August 14, 2023