Abstract deutsch

Pflanzen interagieren als dynamische, sensitive Organismen über ein komplexes Kommunikationssystem mit ihrer Umwelt. Trotz intensiver Forschungsarbeiten an Interaktionen zwischen Pflanzen bzw. Pflanzen und Mikroorganismen versteht man Kommunikationsmechanismen im Wurzelbereich heute erst ansatzweise. Man weiß, dass sich ober- und unterirdische Prozesse in der Pflanze gegenseitig beeinflussen und benachbarte Pflanzen die Entwicklung einer Pflanze fördern oder behindern können. Pflanzenkeimlinge werden bereits von einer Vielzahl von Mikroorganismen kolonisiert, die einen positiven oder negativen Einfluss auf die Entwicklung ihres Pflanzenwirts haben können. Sekundären Pflanzeninhaltstoffen kommt in diesen Prozessen eine wesentliche Bedeutung zu, beispielsweise in der Pathogenresistenz oder der Ausbildung von Farbe, Geschmack und Geruch. Zudem können sie als Antioxidantien gesundheitsfördernd wirken und stellen damit auch wichtige Qualitätsparameter dar. Unser Interesse gilt den Interaktionen von pathogenen und symbiotischen Pilzen in Mono- und Mischkulturen und umfasst ein Modellsystem bestehend aus dem Erreger der Tomatenwelke Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici, dem Mykorrhizapilz Glomus mosseae, und der Tomate. Zusätzlich werden Mischkulturen mit Pflanzen mit bekanntermaßen stimulierenden oder hemmenden Effekten auf die Tomate in den Versuchsansatz integriert. Ziel dieses innovativen Modellansatzes ist die Erforschung der Auswirkungen der Besiedelung der Wurzel mit verschiedenen Pilzen auf die Qualität des Stoffwechsels in unter- und oberirdischen Pflanzenorganen. Folgende Hypothesen getestet werden: (1) Die Besiedelung von Wurzeln mit pathogenen Pilzen und Mykorrhizapilzen bewirkt spezifische Veränderungen im Metabolitenprofil von Pflanzenorganen und Wurzelexsudaten der Wirtspflanzen; (2) über Wurzelexsudate beeinflussen diese Veränderungen im Metabolitenprofil die Entwicklung bodenbürtiger Pilze und (3) unterschiedliche Nachbarpflanzen stellen spezifische Einflussfaktoren auf diese Prozesse dar. Die Forschungsarbeiten sollen die wechselseitigen Beeinflussungen in Form von Verschiebungen im Stoffwechselprofil von Wurzeln, Spross und Früchten sowie von Wurzelexsudaten der untersuchten Pflanzen aufzeigen. Im Gegensatz zu zahlreichen bisher durchgeführten Untersuchungen stehen bei diesem Forschungsvorhaben vor allem multitrophische Effekte (oberirdisch-unterirdisch) und quasi-allelopathische Faktoren (Pflanze-Pflanze) im Zentrum der Betrachtungen. Die phytopathologische Betrachtung wird um eine ökologische Komponente erweitert und der innovativer Ansatz gleichzeitig auf seine Tauglichkeit getestet, verbesserte Einsichten zu erhalten.

Abstract englisch

Plants are dynamic and highly sensitive organisms, which communicate with their environment in a complex fashion. Our understanding of plant–plant and plant–microbe interactions has increased to a great extent, yet the signal communication is still far from being satisfactorily understood. To add to the complexity, linkages between below- and aboveground physiological processes within a plant as well as facilitation and inhibition by adjacent plants are known to occur. Shortly after germination, the developing seedlings are colonized by a wide range of microorganisms that may cause either beneficial or antagonistic effects on their host. The importance of plant metabolites is apparent in these processes; they may significantly contribute to pathogen resistance and, in addition, comprise compounds determining the color, taste and odor of fruits. Moreover, some secondary metabolites that are especially accumulated in fruits may also act as antioxidants and thus exert beneficial effects to the health of the consumers by decreasing the risks of cancer and cardiovascular diseases. Consequently, they are also regarded as criteria for crop quality. We intend to elucidate the plant response in a biological system consisting of a crop plant and a beneficial and pathogenic soil fungus in monoculture and mixed cultivation. Out of the multitude of possible interactions we will focus on the chosen model system, which comprises tomato, the arbuscular mycorrhizal fungus Glomus mosseae and the soil borne tomato pathogen Fusarium oxysporum sp. lycopersici. The effects of single and combined inoculations as well as various combinations of co-culture of tomato with plants, which are either known to be stimulative or repressive for tomato, will be studied. We hypothesize that specific effects of (1) plant pathogenic and mycorrhizal fungi on metabolite profiles in the tissues and root exudates of their host plant, (2) root exudates, pathogenic and mycorrhizal fungi on the development of soil borne fungi in the rhizosphere, and (3) adjacent plants on the metabolite profiles of above- and belowground tomato organs as well as on the root exudates, which cause specific feedbacks on the development of fungal colonization, will occur. The proposed research will provide improved insights about metabolic dynamics in leaves, roots, and root exudates of tomato. The extent of correlation of any detected changes in the metabolite profiles in various organs of tomato to the inoculation with a specific mycorrhizal and pathogenic fungus, or a combination of both will be explored. Additionally, effects of intercropped plants, both with stimulating and inhibitory effects, on the variability of chemical profiles of the model plant will be characterized for the first time. Moreover, we will provide new information how much fruit quality (an aboveground character) fruit is affected by root colonization by pathogenic and symbiotic root fungi.