The increasing global population brings major challenges to the human food supply, whereas modern agriculture is accompanied by several environmental problems and still leaves many people hungry or malnourished. A more sustainable production and a higher nutritional value of plant foods are therefore new agricultural paradigms. Part of the solution to enhance yield and nutritional value of crop foods in a more sustainable manner might be found in the overlooked rhizosphere, where ancient plant-microbe mutualisms are known to provide important ecological functions. These microbes interact actively with plant intrinsic regulators, which in turn have the potential not only to mediate plant-microbe interactions, but also to influence plant growth, health and quality. The present thesis had two main objectives: 1) to test novel effects of beneficial microbes on crop plants related with the new agricultural paradigms; and 2) to investigate the role of intrinsic plant regulators involved in microbial effects on crop plants. In chapter II, I tested whether the beneficial arbuscular mycorrhizal (AM) fungi can affect the aboveground oviposition of Lissorhoptrus oryzophilus (rice water weevil; RWW), a root-feeding insect of rice plants. Rice is one of the major staple foods worldwide. RWW is an important global pest of rice, whose adults feed aboveground and the larvae feed belowground. I found that AM fungi enhanced the aboveground oviposition by RWW, which is a novel aspect of agro-ecological interactions. This suggests that AM fungi can reduce rice resistance against RWW. Therefore, soil fungi that are generally considered beneficial in terms of nutrient uptake may not be beneficial in respect to protection against particular herbivores. In chapter III, I tested whether an endophyte can protect root against herbivory though gibberellic acid (GA) and jasmonic acid (JA) signaling in rice. In contrast to AM fungi, the Sebacinalean root endophyte Piriformospora indica attenuated the negative effects of RWW on growth through induced root tolerance, without affecting root resistance. This induced tolerance was mediated by induction of GA signaling and suppression of JA signaling. Thus, belowground plant-microbe mutualisms can enhance the tolerance of a globally important crop plant in response to the attack by an insect pest. These effects were at least partially mediated by plant intrinsic regulators and should be considered in future management practices. To explore the potential of AM fungi in improving the nutraceutical value of plant foods, in chapter IV I tested whether AM fungi can affect the bioactive compounds and mineral elements in edible leaves of Moringa oleifera, a high nutritional vegetable crop cultivated in the tropics and sub-tropics. AM fungi enhanced non-specifically the levels of glucosinolates, reduced species-specifically the levels of carotenoids, and increased the levels of two microelements in M. oleifera leaves. These results encourage research on other AM fungal species and their combinations to achieve general benefits on the nutraceutical value of M. oleifera. The role of cytokinin (CK) levels in roots and shoots in AM symbiosis is yet unclear. In chapter V, I tested whether plant CK status regulates the AM symbiosis between tobacco plants and the AM fungus Rhizophagus irregularis. The organ-specific CK status affected profoundly the performance of tobacco in response to AM symbiosis, and suggested that CK in roots and shoots contribute to balance the nutrient exchange between symbionts. Overall, the functions of plant-microbe mutualisms can vary considerably, while phytohormones can play a defining role in these mutualistic functions. These findings provide significant contributions to the field of plant-microbe interactions with potential for application in crop production.
Das globale Bevölkerungswachstum führt zu erhöhten Anforderungen an die Nahrungsversorgung, während die moderne Landwirtschaft durch verschiedene umweltbedingten Problemen beeinträchtigt wird. Hunger und Unterernährung sind bleibende globale Probleme. Daher stellen nachhaltige Produktion und eine höherer Nährwert von pflanzlicher Nahrung die neuen Paradigmen der Landwirtschaft dar. Ein Teil der Lösung zur Verbesserung der Erträge und der Erhöhung des Nährwerts von Nutzpflanzen auf nachhaltige Weise könnte in der bisher vernachlässigten Rhizosphäre liegen, in der bekanntermaßen evolutionär ursprüngliche mutualisticshe Pflanzen-Mikroorganismen-Wechselwirkungen wichtige Funktionen erfüllen. Diese Mikroorganismen interagieren aktiv mit Pflanzen-intrinsischen Regulatoren, welche wiederum das Potenzial haben, nicht nur die mutualistischen Wechselwirkungen zu vermitteln, sondern auch die Pflanzenwachstum, -gesundheit und –qulaität zu beeiflussen. Die vorliegende Doktorarbeithat zwei zentrale Ziele: 1.) Die Überprüfung bisher unbekannter Effekte von mutualistischer Pilzen auf Nutzpflanzen in Verbindung mit den neuen landwirtschaftlichen Paradigmen und 2.) Die Untersuchung der Rolle intrinsischen Pflanzenregulatoren bei den Effekten der Mikroorganismen auf Nutzpflanzen. In Kapitel II, überprüfte ich, ob die mutualistischen arbuskulären Mykorrhizapilze (AM) die überirdische Eiablage von Lissorhoptrus oryzophilus (Rice Water Weevil), ein sich von Reiswurzeln ernährendes Insekt, beeinflussen. Reis ist eines der wichtigsten Grundnahrungsmittel weltweit und der Rice Water Weevil (RWW) ist eine globale Plage, bei der sich die erwachsenen Tiere überirdisch und die Larven unterirdisch ernähren. Ich habe herausgefunden, dass die überirdische Eiablage des RWW durch die AM-Pilze erhöht werden kann, was einen neuen Aspekt agroökologischer Interaktionen darstellt. Daraus lässt sich vermuten, dass die AM-Pilze die Resistenz von Reis gegen den RWW reduzieren. Während diese Bodenpilze für die Nährstoffaufnahme generell als nützlich verstanden werden, trifft dies anscheinend nicht bei der Abwehr von Herbivoren zu. In Kapitel III, habe ich getestet ob ein Endophyt über die Gibberellinsäure (GA) und die Jasmonsäure (JA) Signaltransduktionswege die Wurzel vor Herbivoren schützen kann. Im gegensatz zu AM-Pilzen kann der Wachstums-fördernde Wurzelendophyt Piriformospora indica die negativen Auswirkung des RWW auf das Wachstum von Reis durch induzierte Wurzeltoleranz abmildern, ohne die Resistenz der Wurzel zu beeinflussen. Diese induzierte Toleranz wurde durch die Induktion des GA Signaltransdruktion und durch die Unterdrückung von JA Signaltransduktion vermittelt. So können unterirdische Pflanzen-Mikroorganismen Wechselwirkungen die Toleranz einer global sehr wichtigen Kulturpflanze als Reaktion auf die Angriffe durch ein Insektenparasit erhöhen. Diese Effekte wurden zumindest teilweise durch pflanzlich intrinsische Regulatoren vermittelt und sollten in der zukünftigen Managementpraxis berücksichtigt werden. Um das Potenzial von AM-Pilzen für Nährstoffgehalte von Nahrungspflanzen zu untersuchen, testete ich in Kapitel IV, ob AM-Pilze bioaktive Komponenten und mineralische Elemente in essbaren Blättern von Moringa oleifera beeinflusst. M. oleifera ist eine hochgradig nährstoffhaltige Gemüsepflanze, die in den Tropen und Sub-Tropen kultiviert wird. AM-Pilze verbesserten unspezifisch den Gehalt an Glucosinolaten, reduzierten artspezifisch den Gehalt an Carotinoiden und erhöhten den Gehalt von zwei Mikroelementen in M. oleifera Blättern. Diese Ergebnisse regen zu weiteren Untersuchungen mit anderen AM-Pilz-Spezies und deren Kombinationen an, um höhere Nährstoffgehalte bei M. oleifera zu erzielen. Die Rolle von Cytokininen (CK) in Wurzeln und Sprossen von AM Pflanzen ist noch weitgehemnd unbekannt. In Kapitel V habe ich überprüft, ob der Gehalt von CK die AM Symbiose zwischen Tabakpflanzen und dem AM-Pilz Rhizophagus irregularis reguliert. Der organ-spezifische CK Gehalt beeinflusste signifikant Wachstum und Phosphataufnahme von Tabak in Reaktion auf die AM Symbiose tiefgreifend. Dies lässt annehmen, dass CK in Wurzel und Spross einen Beitrag zur Regulation des Nährstoffaustausch zwischenden Symbionten leistet. Insgesamt kann die Funktion von mutualistischen Pflanzen- Mikroorganismen Wechselwirkungen sehr stark variieren, während Phytohormone eine zentrale Rolle in der Regulation der mutualistischen Funktionen spielen. Die hier beschriebenen Forschungsergebnisse stellen neue Erkenntnisse für das Feld der Pflanzen-Mikroorgansimen Wechselwirkungen dar und sind von wesentlicher Bedeutung für die für die Anwendung in der Produktion von Kulturpflanzen.
