Interaktion von Nutzpflanzen und Beikraut im Boden

Die Reduktion des Herbizideinsatzes ist ein wichtiges Ziel für unsere Gesellschaft und Umwelt, da die Besorgnis über das zunehmende Auftreten von herbizidresistentem Beikraut und die ökologisch nachteiligen Konsequenzen des Einsatzes von Herbiziden kontinuierlich wächst. Mehrere Arten von Zwischenfrüchten sind für die Unterdrückung von Beikraut bekannt und stellen eine ökologisch unbedenkliche Alternative zum Ausbringen von Herbiziden dar. Um den effizienten Einsatz von Zwischenfürchten zu ermöglichen ist allerdings ein besseres Verständnis der Mechanismen die zur Beikrautunterdrückung führen notwendig. Zusätzlich zur Konkurrenz um Ressourcen kann die Unterdrückung des Wachstums aus direkten Interaktionen der Pflanzenwurzeln resultieren. Wir konnten nachweisen, dass die Zwischenfrüchte Fagopyrum esculentum (Buchweizen) and Avena strigosa (Rau-Hafer) wachstumsunterdrückend auf Amaranthus retroflexus (zurückgebogener Amarant) wirken, was mit hoher Wahrscheinlichkeit der Wirkung von Wurzelexsudaten dieser Zwischenfrüchte zu verdanken ist. Diese Ergebnisse haben uns motiviert weiterführende Untersuchungen durchzuführen und wachstumsreduzierende Komponenten zu identifizieren. Damit werden die folgenden Hypothesen untersucht: (H1) Die ausgewählten Zwischenfrüchte erkennen die Präsenz heterospezifischer Nachbarpflanzen via interagierender Wurzelsysteme, was eine Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Exsudate zur Folge hat. (H2) Die Exsudation bestimmter Komponenten wird durch eine artspezifische Erkennung hervorgerufen, wohingegen die Exsudation anderer Komponenten durch die generelle Präsenz einer anderen Pflanze ausgelöst wird. (H3) Bestimmte Moleküle aus Wurzelexsudaten der Zwischenfrüchte haben eine wachstumsunterdrückende Wirkung. (H4) Wachstumsunterdrückende Effekte erfolgen aufgrund von Veränderungen des Transkriptoms von Arabidopsis thaliana (Acker-Schmalwand) und Brachypodium distachyum (zweigrannige Zwenke). (H5) Die Zusammensetzung der Wurzelexsudate dieser Pflanzen ändert sich in Abhängigkeit der benachbarten Zwischenfruchtart. (H6) Vermeintlich wachstumsunterdrückende Komponenten können in landwirtschaftlichen Böden nachgewiesen werden. Unser methodischer Ansatz beinhaltet einen bereits validierten “split-root” Aufbau, welcher das differentielle Sammeln von Wurzelexsudaten zulässt. Dazu werden zuerst Versuche in inertem Glassand durchgeführt. Die differentielle chemische Analyse der Exsudate wird mit der Kombination von chromatographischen und akkuraten massenspektrometrischen Methoden erfolgen. Für die Identitätsbestätigung von signifikanten Substanzen werden Datenbanken mit akkurater monoisotopischer Masse und Fragmentspektren herangezogen. Danach werden Wurzelexsudate und Bodenlösungen von in Böden wachsenden Pflanzen gesammelt um das Vorkommen der identifizierten Substanzen unter Realbedingungen zu bestätigen. Darüber hinaus werden phänotypische Veränderungen sowie Veränderungen des Transkriptoms, die durch direkte Wurzelinteraktionen sowie durch ausgewählte Komponenten hervorgerufen werden in Arabidopsis thaliana und Brachypodium distachyum untersucht. Die Ergebnisse unserer Studie werden neue Erkenntnisse zur Interaktion von Pflanzen im Boden und wichtige Informationen zur Entwicklung und zum Einsatz von Beikraut-unterdrückenden Zwischenfrüchten beinhalten. Insgesamt kann mit dem Projekt ein weiterer Schritt in der Entwicklung neuer Anbaustrategien für ein verbessertes integriertes Unkrautmanagement erfolgen.