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Microbial attachment to endoparasitic phytonematodes in soil

Applicant Dr. Holger Heuer
Subject Area Plant Breeding and Plant Pathology
Microbial Ecology and Applied Microbiology
Term from 2015 to 2019
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 270451289
 
Final Report Year 2019

Final Report Abstract

Wir haben untersucht, welche Bakterien und Pilze spezifisch an Wurzelgallen-Nematoden und Läsionsnematoden in verschiedenen Böden anhaften, wie verschiedene Boden- und Rhizosphären-Mikrobiome die Wurzelinvasion und Vermehrung der Nematoden an verschiedenen Wirtspflanzen beeinträchtigen, und wie sich die anhaftenden Mikroorganismen auf die Erkennung der eindringenden Nematoden durch das Immunabwehrsystem in der Wurzel auswirken. Nach Inokulation von Tomatenwurzeln mit Mikrobiomen aus verschiedenen landwirtschaftlichen Böden zeigten sich große Unterschiede in der Unterdrückung der Wurzelinvasion und Vermehrung den Nematoden. Aus der großen Diversität der Mikroorganismen in Boden und Rhizosphäre hefteten nur eine überschaubare Anzahl an Bakterien- und Pilzarten spezifisch an die Nematoden an. Die Nematoden-Art und die Zusammensetzung des Mikrobioms hatten einen signifikanten Einfluss auf die Zusammensetzung des mit den Nematoden assoziierten Mikrobioms. Auch zwischen Populationen der gleichen Art wurden solche Unterschiede gefunden. Häufig auf der Kutikula der Nematoden detektierte Spezies wurden identifiziert. Die mikrobielle Anheftung an die Nematoden unterschied sich auch nach Inkubation in Rhizosphäre-Mikrobiomen verschiedener Pflanzenarten, die im gleichen Boden wuchsen. Sojapflanzen wurden in sterilem Substrat mit dem Mikrobiom aus der Rhizosphäre von Soja, Mais oder Tomate inokuliert bzw. als Kontrolle mit dem Mikrobiom aus nicht-durchwurzeltem Boden. Nach Etablierung des neuen Mikrobioms wurden die Pflanzen Pratylenchus penetrans ausgesetzt. Die Anzahl in die Wurzel eingedrungener Nematoden wurde durch die Mikrobiome von Soja und Mais signifikant reduziert im Vergleich zu den mit Tomate- und Boden-Mikrobiom inokulierten Pflanzen, sowie im Vergleich zu Kontrollpflanzen ohne Mikrobiom. Im analogen Experiment mit Tomatenpflanzen, die mit P. penetrans oder Meloidogyne incognita konfrontiert wurden, reduzierte das Tomaten- und Mais-Mikrobiom die Wurzeleindringung beider Nematoden signifikant im Vergleich zu den Pflanzen mit Soja- oder Boden-Mikrobiom, sowie im Vergleich zu Kontrollpflanzen ohne Mikrobiom. Die Vermehrungsrate von M. incognita an Tomate (Anzahl an Eiern sowie Wurzelgallen nach zwei Monaten) wurde in gleicher Weise vom Mikrobiom beeinflusst wie die Eindringung in die Wurzel, d. h. das eigene Rhizosphären-Mikrobiom schützte die Tomatenpflanzen am besten. Überraschend war die in allen Experimenten konsistent suppressive Wirkung des Mais-Mikrobioms. In Split-Root Experimenten wurde gezeigt, dass die direkte Interaktion von Nematoden und Mikroorganismen für die Suppression der Nematoden wichtig ist. Bei räumlicher Trennung vom Bodenmikrobiom und Nematoden war die mittlere Anzahl an Gallen, Eimassen und Eiern an Tomaten-Wurzeln geringer aber nicht statistisch verschieden von der Kontrolle ohne inokuliertes Mikrobiom. Dagegen war die Vermehrung signifikant reduziert im Vergleich zu den Kontrollen, wenn Mikrobiom und Nematoden auf der gleichen Seite inokuliert wurden. Bakterien wurden von der Oberfläche der Nematoden isoliert und ihre Anheftung untersucht. Insbesondere Stämme der Gattungen Microbacterium und Sphingopyxis hefteten sich stark an. Eischlupf, Überleben und Aktivität der Nematoden wurden durch die Isolate unterschiedlich stark vermindert. Bei in-vitro Versuchen mit Mikroorganismen-freien Tomatenpflanzen, in deren Wurzeln Juvenile von Meloidogyne hapla mit und ohne assoziiertes Mikrobiom eindrangen, ergaben sich deutliche Hinweise, dass die anhängenden Mikroorganismen zur Erkennung der eindringenden Nematoden durch die pflanzliche Immunabwehr beitragen.

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