Bio-effectors for improved growth, nutrient acquisition and disease resistance of crops

Abstract

Recent scientific approaches to sustain agricultural production in face of a growing world food demand, limited natural resources, and ecological concerns have been focusing on biological processes to support soil fertility and healthy plant growth. In this context, the use of “bio-effectors”, comprising living (micro-) organisms and active natural compounds, has been receiving increasing attention. In contrast to conventional fertilizers and pesticides, the effectiveness of “bio-effectors” is essentially not based on the substantial direct input of mineral plant nutrients, neither in inorganic nor organic forms, nor of a-priori toxic compounds. Their direct or indirect effects on plant performance are rather based on the functional implementation or activation of biological mechanisms, in particular those interfering with soil-plant-microbe interactions. The general objective of the present research work was to improve the empirical and conceptual understanding concerning the utilization of bio-effectors in agricultural practice, following the principles of plant growth stimulation, bio-fertilization and bio-control. One main aspect of investigation was the application of bio-effectors to improve the efficiency of phosphorus (P) acquisition by the plant. Promising bio-preparations based on microbial inoculants (e.g. Bacillus, Pseudomonas, Trichoderma species) as well as natural compounds (e.g. algae extracts, humic acids) were tested in screening assays, greenhouse, and field experiments to characterize their potential effectiveness under varying environmental conditions. The most significant effects on plants appeared under severely low phosphate availability, but even under controlled conditions, bio-effectors required a narrow range of conductive environmental settings to reveal their potential effectiveness. Another focus of research was the application of bio-effectors to control soil borne pathogens, which typically appear in unsound crop rotations. Emphasis was set on take-all disease in wheat induced by the fungus Gaeumannomyces graminis. While the effectiveness of oat precrops to control take-all in subsequent wheat has been attributed to microbial changes and enhanced manganese (Mn) availability in soils, the take-all fungus is known to decrease the availability of Mn by oxidation. Against this background, the effectiveness of oat precrops and alternative crop management strategies to improve the Mn status and suppress the severity of take-all in wheat was investigated under controlled and field conditions. In conclusion, none of the tested supplemental treatments, such the application of microbial bio-effectors, stabilized ammonium or manganese fertilizers, could fully substitute for the multiple effectiveness of oat precrops, which was further confirmed by the results of a field experiment. Finally, some general conclusions and perspectives are summarized. Selected bio-effectors showed a strong capacity to improve the nutrient acquisition and healthy growth of crop plants under controlled conditions, but not in field experiments. However, even under controlled conditions the strongest effects occurred when plants were exposed to abiotic or biotic stresses, such as severely limited P availability or pathogen infestation of the soil substrate, still restricting plant growth to unproductive levels. Facing this situation, there is no perspective to improve the field efficiency of promising bio-effectors applications as a stand-alone approach. The only chance to develop viable alternatives to the conventional use of fertilizers or pesticides, for an ecological intensification of agriculture that maintains high yield levels, seems to be a reasonable integration of bio-effectors into the whole crop management of sound agricultural practice.

Angesichts eines weltweit wachsenden Bedarfs an Nahrungsmitteln, begrenzter natürlicher Ressourcen und ökologischer Probleme streben neuere wissenschaftliche Ansätze zur nachhaltigen Gestaltung der Landwirtschaft verstärkt die Nutzung biologischer Prozesse zur Föderung der Bodenfruchtbarkeit und eines gesunden Kulturpflanzenwachstums an. In diesem Zusammenhang hat der Einsatz von „Bio-Effektoren“, einschließlich lebender (Mikro-)Organismen und wirkaktiver Naturstoffe, wachsendes Interesse gefunden. Im Gegensatz zu konventionellen Düngemitteln und Pestiziden beruht die Wirksamkeit von „Bio-Effektoren“ nicht auf dem substantiellen Direkteintrag von Pflanzennährstoffen, weder in anorganischer noch organischer Form, noch von a priori toxischen Stoffen. Die direkten oder indirekten Wirkungen von “Bio-Effektoren” auf die Pflanze basieren vielmehr auf der Implementierung oder Aktivierung von biologischen Wirkungsmechanismen, insbesondere solcher die mit den Interaktionen von Boden, Pflanze und Mikroorganismen interferieren. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, das Verständnis zur Nutzung von Bio-Effektoren in der landwirtschaftlichen Praxis anhand der prinzipiellen Wirkungskategorien von direkter Stimulans des Pflanzenwachstums, biologischer Pflanzenernährung (bio-fertilization) und biologischem Pflanzenschutz (bio-control) zu erweitern. Ein Hauptaspekt galt der Anwendung von Bio-Effektoren um die Aneignungseffizienz von Phosphor (P) durch die Pflanze zu steigern. Aussichtsreiche Präparate, basierend auf mikrobiellen Inokula (z.B. Bacillus, Pseudomonas, Trichoderma Spezies) als auch Naturstoffen (z.B. Algenextrakte, Huminsäuren), wurden in Screeningassays, Gewächshaus- und Feldversuchen getestet um ihr Wirkungspotential unter variablen Umweltbedingungen zu charakterisieren. Die stärksten Effekte traten unter Bedingungen mit sehr geringer Phosphatverfügbarkeit auf, jedoch selbst unter kontrollierten Bedingungen war der Einfluss förderlicher und teilweise eng bestimmter Umweltfaktoren notwendig um die Wirksamkeit von Bio-Effektoren zu zeigen. Ein weiteres Thema war der Einsatz von Bio-Effektoren zur Bekämpfung bodenbürtiger Krankheitserreger, welche durch unausgewogene Fruchtfolgen gefördert werden. Die Untersuchungen befassten sich insbesondere mit der Schwarzbeinigkeit des Weizens, einer bedeutenden Wurzelkrankheit hervorgerufen durch den Pilz Gaeumannomyces graminis. Eine effektive Vorfrucht zur Bekämpfung der Schwarzbeinigkeit ist Hafer, was in Zusammenhang mit mikrobiellen Veränderungen im Boden und einer erhöhten Verfügbarkeit von Mangan (Mn) für die Folgefrucht Weizen gestellt wurde. Vor diesem Hintergrund wurde die Wirksamkeit von Hafer als Vorfrucht im Vergleich mit alternativen Maßnahmen des pflanzenbaulichen Managements zur Steigerung der Mn-Versorgung und Bekämpfung der Schwarzbeinigkeit in Weizen untersucht. Fazit war, daß keine der getesten Alternativmaßnahmen, wie die Anwendung mikrobieller Bio-Effektoren, stabilisierten Ammonium- oder Mangandüngers, die vielseitige Vorfruchtwirkung von Hafer vollständig substituieren konnte, was auch durch die Ergebnisse eines Feldversuches bestätigt wurde. Abschließend folgen generelle Schlussfolgerungen aus der vorliegenden Arbeit und sich daraus ergebende Perspektiven zur Nutzung von Bio-Effektoren. Ausgewählte Bio-Effektoren zeigten unter kontrollierten Bedingungen ein hohes Wirkungspotential zur Förderung der Nährstoffaneignung und des gesunden Wachstums von Kulturpflanzen, nicht jedoch in Feldversuchen. Zudem waren die stärksten Effekte dann zu beobachten, wenn die Pflanzen abiotischen oder biotischen Stresssituationen, wie stark limitierter P-Verfügbarkeit oder einem pathogenbelasteten Bodensubstrat, ausgesetzt waren, welche das Pflanzenwachstum auch weiterhin auf ein unproduktives Maß beschränkten. Diese Ergebnisse eröffnen keine Perspektive den praktischen Nutzen von Bio-Effektoren durch Einzelmaßnahmen zu steigern. Vielmehr schein der einzig erfolgversprechende Ansatz leistungsfähige Alternativen zum konventionellen Einsatz von Düngemitteln und Pestiziden für eine ökologische Intensivierung der Agrarproduktion auf hohem Ertragsniveau zu entwickeln, eine sinnvolle Integration von Bio-Effektoren in das gesamte pflanzenbauliche Management einer fachgerechten Landwirtschaft zu sein.