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Pflanzenbau

Das Gute kommt von unten

Die Symbiose mit Mykorrhizapilzen bringt vielen Kulturpflanzen Vorteile. Dazu gehören eine bessere Nährstoffversorgung und eine Resistenz gegenüber Stressfaktoren. Eine Studie zeigt erstmals in Mais auf, welchen Mehrwert eine Impfung mit Mykorrhiza hat und welche Faktoren dies beeinflussen.

Mykorrhizapilz Rhizoglomus irregulare an einer Karottenwurzel.

Mykorrhizapilz Rhizoglomus irregulare an einer Karottenwurzel.

(Jennifer McGaley, University of Cambridge)

Publiziert am

Wissenschaftliche Mitarbeiterin, Pflanzen-Boden-Interaktionen, Agroscope

Departement für Bodenwissenschaften, FiBL

Quer gelesen

– Einige Kulturpflanzen erhalten aus der Symbiose mit Mykorrhizapilzen Nährstoffe und werden stresstoleranter.

– Mykorrhiza werden durch eine reduzierte Bodenbearbeitung und eine dauernde Bodenbedeckung mit Wirtspflanzen gefördert.

– Beimpfen bei Mais zeigt Erfolg, wenn viele pilzliche Krankheitserreger im Boden sind.

Die Intensivierung der Landwirtschaft hat in den letzten Jahrzehnten zu höheren Erträgen geführt. Es besteht jedoch ein dringender Bedarf an nachhaltigeren Produktionsmethoden, die den Boden schonen und weniger Agrochemikalien einsetzen. Eine vielversprechende Lösung ist die Förderung einheimischer nützlicher Bodenorganismen wie Mykorrhizapilze.

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Sporen von arbuskulären Mykorrhizapilzen.

(Dr. Luise Köhl. «Abbildung modifiziert nach Lutz et al. (2023), Nature Microbiology, 8(12), 2277-2289» Veröffentlicht mit Genehmigung von Peterson et al. (2004) und NRC press, Canadian Science Publishing oder dessen Lizenzgeber)

Ein vielfacher Nutzen für die Pflanze

Die meisten Landpflanzen, darunter wichtige Nutzpflanzen wie Mais, Weizen und Kartoffel, können eine symbiotische Beziehung mit Mykorrhizapilzen eingehen. Mykorrhizapilze bilden im Boden ausgedehnte Hyphengeflechte (Pilzfäden), über die sie die Wirtspflanzen mit Nährstoffen, insbesondere Phosphor, versorgen. Arbuskuläre Mykorrhizapilze (AM-Pilze) besiedeln Pflanzenwurzeln und bilden dort baumartige Gebilde («Arbuskeln»). Dort tauschen die Pilze mit der Pflanze Nährstoffe aus dem Boden gegen Kohlenhydrate und Fettsäuren aus der Photosynthese ein. Meist profitieren die Pflanzen von der symbiotischen Beziehung durch eine verbesserte Nährstoffaufnahme sowie Trockenheits- und Krankheitsresistenz, was sich bei Nutzpflanzen in besseren Erträgen niederschlägt.

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Typische Strukturen von arbuskulären Mykorrhizapilzen in Pflanzenzellen.

(Dr. Ryan Geil. «Abbildung modifiziert nach Lutz et al. (2023), Nature Microbiology, 8(12), 2277-2289». Veröffentlicht mit Genehmigung von Peterson et al. (2004) und NRC press, Canadian Science Publishing oder dessen Lizenzgeber)

Die meisten Landpflanzen können eine symbiotische Beziehung mit Mykorrhizapilzen eingehen.

 Ackerbauliche Praxis zugunsten von Mykorrhiza

Die Artenvielfalt und das Vorkommen natürlicher Mykorrhiza-Gemeinschaften können durch verschiedene ackerbauliche Massnahmen gefördert werden, gerade durch ökologische und extensive Ansätze. Eine geschlossene Pflanzendecke (zum Beispiel eine Zwischen- oder Winterbegrünung) bietet den AM-Pilzen die für ihre Vermehrung notwendigen Wirtswurzeln. Es ist jedoch darauf zu achten, dass Pflanzenarten gewählt werden, die eine Symbiose mit AM-Pilzen eingehen können (siehe Tabelle). Eine ausgewogene Fruchtfolge und der Verzicht auf den mehrjährigen Anbau derselben Kultur, besonders von Nicht-Wirtspflanzen, sind ebenfalls zu empfehlen. Eine intensive Düngung, vor allem mit Mineraldünger, kann zu einer Anreicherung des Phosphorgehaltes im Boden führen, wodurch die Wirtspflanzen weniger auf die Nährstoffversorgung durch die AM-Pilze angewiesen sind und die Symbiose für die Pflanzen keinen Nutzen mehr bringt. Intensive Bodenbearbeitung sollte vermieden werden, da der Pflug das weit verzweigte Hyphennetz der Pilze und den Nährstofftransport zur Wirtspflanze zerstört. Direktsaat oder minimale Bodenbearbeitung sind daher für das Vorkommen der AM-Pilze vorteilhaft.

Untersuchungen zur Impfung

Neben ackerbaulichen Massnahmen können AM-Pilze auch durch Impfungen in den Boden eingebracht werden. Die Ergebnisse des gezielten Einsatzes dieser Pilze sind jedoch sehr unterschiedlich und reichen von vorteilhaft bis nachteilig. Der Einsatz von AM-Pilzen zur Verbesserung der Pflanzenleistung in der Landwirtschaft ist daher nicht vorhersagbar. Nur wenn der Einsatz von AM-Pilzen zuverlässig zu Ertragssteigerungen führt, können sie in der Praxis breit eingesetzt werden. Um die Faktoren für den Impfungserfolg zu bestimmen, hat Agroscope zusammen mit dem FiBL und den Universitäten Basel und Zürich in einer gross angelegten Studie auf 54 Schweizer Ackerflächen die Wirkung von AM-Pilzen auf das Maiswachstum untersucht. Die Maispflanzen wurden entweder mit dem AM-Pilz Rhizoglomus irregulare Stamm SAF22 (Schweizerische Sammlung arbuskulärer Mykorrhizapilze) oder als Kontrolle mit einem Trägersubstrat ohne Pilz beimpft. Die Ergebnisse zeigten eine grosse Variationsbreite der Wachstumsstimulation, die von einer Ertragsminderung von 12 Prozent bis zu einer Ertragssteigerung von 40 Prozent reichte. Um herauszufinden, unter welchen Bedingungen eine Impfung mit AM-Pilzen vorteilhaft ist, wurden kurz vor der Aussaat eine Vielzahl verschiedener chemisch, physikalisch und biologischer Bodeneigenschaften sowie die Bodenpilze selbst mit modernsten molekulargenetischen Methoden untersucht.

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Vorbereitung zur Mykorrhiza-Impfung auf der künftigen Maisfläche.

(Stefanie Lutz, Natacha Bodenhausen)
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Impfung der künftigen Maisfläche mit Mykorrhiza.

(Stefanie Lutz, Natacha Bodenhausen)

Effekt von Mykorrhiza in Zahlen

Überraschenderweise konnte der Beimpfungserfolg am besten durch die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften im Boden erklärt werden, während die chemischen Bodeneigenschaften deutlich weniger Einfluss zu haben scheinen. Durch die Identifizierung von 13 Pilzarten, die als Indikatoren für den Impfungserfolg dienten, und der 15 wichtigsten Bodeneigenschaften konnten 86 Prozent der Variation im Impfungserfolg vorhergesagt werden, was eine korrekte Vorhersage in 5 von 6 Feldern bedeutet. Insbesondere Felder mit einem höheren Vorkommen an pilzlichen Krankheitserregern (wie Fusarium, Olpidium, Myrothecium) schienen von der Impfung mit AM-Pilzen zu profitieren. Zudem haben Felder mit niedrigeren mikrobiellen Kohlenstoff- und Phosphorgehalten und höheren Gehalten an mineralisiertem Stickstoff und Magnesium von der Impfung profitiert. Der Einfluss dieser Faktoren auf die Ertragssteigerung war jedoch relativ gering im Vergleich zu den Flächen mit pilzlichen Krankheitserregern. Die Fähigkeit von AM-Pilzen, Pflanzenwurzeln vor Krankheitserregern zu schützen, kann durch verschiedene Mechanismen erklärt werden. In unserer Studie deuten die Daten auf eine direkte Konkurrenz um die Besiedlung der Wurzeln hin. In Feldern mit hohem Impfungserfolg unterdrückten die AM-Pilze pathogene Pilze in den Wurzeln deutlich.

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Die Forschenden bei der Vorbereitung zur Probennahme.

(Stefanie Lutz; Natacha Bodenhausen)

Es konnten 86 Prozent der Variation im Impfungserfolg vorhergesagt werden.

Diagnostik, um Mykorrhiza-Erfolg vorherzusagen

Im Forschungsprojekt wurde eine Bodendiagnostik entwickelt, um die Impfung von Feldern mit AM-Pilzen zur Verbesserung des Pflanzenwachstums zu optimieren. Die wichtigsten Faktoren wurden identifiziert, um die Auswirkungen der Mykorrhiza-Impfung auf das Pflanzenwachstum vorhersagen zu können. Damit können Betriebe eine verlässliche Empfehlung erhalten, ob eine Impfung mit AM-Pilzen erfolgreich sein wird. Der gezielte Einsatz von AM-Pilzen kann eine zuverlässige und kostengünstige Alternative zu Agrochemikalien sein und zu einer nachhaltigeren Landwirtschaft beitragen. 

Gesucht: Landwirtinnen und Landwirte, die Mais anbauen

In den nächsten Jahren sind weitere Versuche geplant, um noch besser vorhersagen zu können, unter welchen Bedingungen Feldimpfungen mit Mykorrhiza sinnvoll und wirtschaftlich erfolgsversprechend sind. Gesucht sind daher noch Landwirtinnen und Landwirte in der Schweiz, die im nächsten Jahr Mais anbauen.

Interessierte wenden sich an: alain.valzano@agroscope.admin.ch oder Telefon 058 468 71 87

Weitere Autoren der Studie und am Artikel Mitwirkende

Dr. Franz Bender, Forschungsgruppe Pflanzen-Boden-Interaktionen, Agroscope

Prof. Dr. Klaus Schläppi, Departement Umweltwissenschaften, Universität Basel

Prof. Dr. Marcel van der Heijden, Leiter Forschungsgruppe Pflanzen-Boden Interaktionen, Agroscope

Studie: Soil microbiome indicators can predict crop growth response to large-scale inoculation with arbuscular mycorrhizal fungi. Erschienen 2023 in Nature Microbiology (englisch)

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