Leipzig/Jena, Germany
November 14, 2016

Quelle: Deutsches Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv)
Halle-Jena-Leipzig

To study the interaction between tomato plants, the Trichoderma fungus and the nematodes, the researchers used a split-root study design (photo: Ainhoa Martínez-Medina).

Plants are constantly challenged by hungry animals and infectious microbes. For tomato plants, major enemies are nematodes of the species Meloidogyne incognita. These are little worms that first induce the roots to form galls, which they then inhabit, feeding on the plant tissue. The plants' problem is: they cannot run away from their attackers. However, they have other means of defending themselves, namely chemical substances that are toxic or deterrent to the parasitic nematodes. The production of these compounds in the plant is tidily regulated by small hormones, like salicylic and jasmonic acid.

Not all interactions with other organisms are detrimental for plants, however – some can be beneficial.  For example, associations between specific microbes and plant roots. Similar to microbial communities in the human gut, microbial communities associated with roots can provide their hosts with essential functions related to nutrient acquisition and protection against infections. One example for such an association has now been reported by an international team of researchers in the journal New Phytologist: a fungus of the genus Trichoderma lives inside the tissue of tomato plants (endophytically) and helps its host to defend itself against infestations by parasitic nematodes. “The fungus boosts plant immunity by enhancing the production of toxic chemical compounds upon nematode attack. This limits the invasion of the roots by nematodes, reduces the nematodes’ fecundity and compromises the formation of root galls”, explains Dr. Ainhoa Martinez-Medina (photo), first author of the study and scientist at the German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv) and the Friedrich-Schiller-University Jena (FSU).

To investigate the complex interactions between the tomato plants, the fungus, and the nematodes, the researchers have used a sophisticated study design in the laboratory. Half of the roots of their test plants were grown in one pot, and the other half in another pot. This allowed the scientists to test different combinations of their experimental treatments, namely infestation with nematodes versus no infestation, and association with fungus versus no association. Subsequently, marker genes involved in pathways modulated by salicylic and jasmonic acid were investigated. The results show that the Trichoderma fungus “primes” the plant, which can then defend itself faster against nematodes. “Such a ‘priming’ is comparable to a vaccination for us humans, through which our immune system learns and subsequently can react more effectively to an infection”, explains Martínez-Medina. In the future, the knowledge about beneficial fungi could also help to develop sustainable solutions for agriculture, the scientist says: “Inoculants based on these beneficial microbes help to ‘immunize’ the plants against pathogens and pests, thereby reducing yield losses due to infections, in a sustainable way.”

Interestingly, the fungus-induced resistance is a plastic phenomenon. This means that it adapts according to the stage of the nematode infection: in the beginning, the fungus boosts salicylic-dependent defences in the roots, leading to higher resistance against the nematode invasion. Subsequently, during the nematode feeding stage, the fungus increases plant defences regulated by jasmonic acid, leading to reduced nematode development and reproduction. Tabea Turrini

Publication:

Martínez-Medina, A., Fernandez, I., Lok, G. B., Pozo, M. J., Pieterse, C. M. J. and Van Wees, S. C. M. (2016), Shifting from priming of salicylic acid- to jasmonic acid-regulated defences by Trichoderma protects tomato against the root knot nematode Meloidogyne incognita. New Phytol. doi:10.1111/nph.14251
http://dx.doi.org/10.1111/nph.14251

Pilz hilft Pflanze: Tomatenpflanzen, die von einem Pilz besiedelt sind, können sich besser gegen Nematoden wehren

Für Pflanzen sind hungrige Tiere und infektiöse Mikroben eine ständige Herausforderung. Bedeutende Feinde der Tomate zum Beispiel sind Nematoden der Art Meloidogyne incognita. Diese kleinen Würmer induzieren Gallen in den Wurzeln, die sie dann besiedeln, während sie sich von Pflanzengewebe ernähren. Das Problem der Pflanzen ist: Sie können vor ihren Angreifern nicht davonlaufen. Aber sie haben andere Möglichkeiten, sich zu wehren, nämlich mithilfe chemischer Substanzen, die giftig oder abschreckend für diese Parasiten sind. Die Produktion dieser Verbindungen wird von kleinen Hormonen wie Salicyl- und Jasmonsäure organisiert.

Jedoch ist nicht jedes Zusammentreffen mit anderen Organismen für Pflanzen schädlich. Manchmal kann es auch Vorteile bringen, wenn zwei sich zusammenzutun, zum Beispiel im Fall von bestimmten Mikroben und Pflanzenwurzeln. Ähnlich wie Mikroben im menschlichen Verdauungstrakt stellen auch die wurzelbewohnenden Mikroorganismen ihrem Wirt wichtige Funktionen zur Verfügung, die im Zusammenhang mit der Aufnahme von Nährstoffen und dem Schutz gegen Infektionen stehen. Über ein Beispiel für eine solche Gemeinschaft hat nun ein internationales Forscherteam in der Fachzeitschrift New Phytologist berichtet: Ein Pilz aus dem Genus Trichoderma lebt im Gewebe von Tomatenpflanzen (endophytisch) und hilft seinem Wirt, sich gegen den Befall mit Nematoden zu verteidigen. „Der Pilz fördert die Immunabwehr der Pflanze indem er die Produktion giftiger Substanzen bei einen Nematodenangriff ankurbelt. Dies führt dazu, dass weniger Nematoden in die Wurzeln eindringen, die Fruchtbarkeit der Nematoden abnimmt und sich weniger Wurzelgallen bilden“, erklärt Dr. Ainhoa Martinez-Medina, Erstautorin der Studie, die als Wissenschaftlerin am Deutschen Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) sowie an der Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU) arbeitet.

Um das komplexe Zusammenspiel zwischen den Tomatenpflanzen, dem Pilz und den Nematoden zu untersuchen, hatten sich die Forscher ein ausgeklügeltes Studiendesign ausgedacht. Jeweils die Hälfte der Wurzeln ihrer Versuchspflanzen wuchs in einem Blumentopf, die andere Hälfte in einem anderen. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler verschiedene Kombinationen ihrer Versuchsgruppen testen: Befall mit Nematoden versus keine Nematoden sowie Besiedelung mit Pilz versus kein Pilz. Im Anschluss wurden Markergene untersucht, die an den chemischen Abläufen beteiligt sind, die durch Salicyl- und Jasmonsäure gesteuert werden. Die Resultate zeigen, dass der Trichoderma-Pilz die Pflanzen „präpariert“, sodass diese sich anschließend schneller gegen einen Nematoden-Befall verteidigen können. „Diese Präparation ist vergleichbar mit einer Schutzimpfung bei uns Menschen, durch die unser Immunsystem lernt und so später effektiver auf eine Infektion reagieren kann“, erklärt Martínez-Medina. In Zukunft könnte das Wissen über die Vorteile der Pilz-Besiedelung für Pflanzen helfen, nachhaltige Lösungen für die Landwirtschaft zu entwickelt, sagt die Wissenschaftlerin: „Pflanzen-Impfungen auf Basis der  hilfreichen Mikroben könnten helfen, die Pflanzen gegen Krankheitserreger und Schädlinge zu ‚immunisieren‘ und so auf nachhaltige Weise Ernteausfälle durch Infektionen einzudämmen.“

Interessant ist, dass die pilzinduzierte Resistenz ein plastisches Phänomen ist. Das bedeutet, dass sie sich an die jeweilige Phase des Nematoden-Befalls anpasst: Zu Beginn fördert der Pilz die durch Salicylsäure gesteuerte Verteidigung in den Wurzeln, was zu einer höheren Widerstandsfähigkeit gegen das Eindringen der Nematoden führt. Später, wenn die Nematoden in den Wurzeln fressen, erhöht der Pilz die Widerstandsfähigkeit der Pflanze über die Jasmonat-Konzentrationen, wodurch die Entwicklung und Reproduktion der Nematoden gehemmt wird. Tabea Turrini

Publikation:

Martínez-Medina, A., Fernandez, I., Lok, G. B., Pozo, M. J., Pieterse, C. M. J. and Van Wees, S. C. M. (2016), Shifting from priming of salicylic acid- to jasmonic acid-regulated defences by Trichoderma protects tomato against the root knot nematode Meloidogyne incognita. New Phytol. doi:10.1111/nph.14251
http://dx.doi.org/10.1111/nph.14251