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2.  Das Besiedlungsverhalten von Bacillus subtilis und anderer Rhizosphärebakterien

2.1. Räumliche und zeitliche Verteilung

Dass PGPR in der beschriebenen Weise die Wurzel besiedeln müssen, um in der Lage zu sein, das Pflanzenwachstum zu fördern, ist heute allgemein bekannt (Suslow 1982, Loper et al. 1985, Liddell & Parke 1989, Lugtenberg et al. 1991). Die Besiedlung der Pflanzenwurzel als Grundlage für das Zustandekommen einer Interaktion zwischen introduzierten Rhizobakterien und der Kulturpflanze wird von Weller & Thomashow (1994) definiert als Prozess, bei dem über Samen oder vegetative Pflanzenteile applizierte Bakterien sich entlang der im Boden wachsenden Wurzeln verteilen, sich vermehren und bei Anwesenheit der autochthonen Mikroflora mehrere Wochen überleben. Dieser Prozess schließt ein die Besiedlung der Rhizosphäre, der Wurzeloberfläche und ggf. das Eindringen in die Wurzel. Auch die antagonistische Wirkung nützlicher Rhizosphärebakterien ist von deren Etablierung am Pflanzenmaterial oder im Boden abhängig und davon, dass über einen längeren Zeitraum eine ausreichende Populationsdichte erhalten bleibt (Suslow 1982, Xu & Gross 1986, Weller 1988). Um als Antagonisten effektiv zu sein, müssen die introduzierten Bakterien (in Abhängigkeit von der verwendeten Art) in der Rhizosphäre eine bestimmte Mindest-Keimzahl erreichen (Torkewitz & Lam 1991, Liu & Sinclair 1991). Populationsdynamische Untersuchungen sind daher für das Verständnis der Wirkungsweise nützlicher Rhizosphärebakterien und damit für das Auffinden optimaler Anwendungstechnologien von ausschlaggebender Bedeutung (Freier et al. 1990a). Sie geben Aufschluss über Etablierungsfähigkeit, Persistenz, Tiefeninfiltration sowie Konkurrenzverhalten gegenüber der autochthonen Bodenmikroflora (Freier et al. 1990b, Liu & Sinclair 1992).

Im Vergleich zu Bacillus subtilis und anderen gram-positiven Bakterien existieren detailliertere populationsdynamische Untersuchungen zu fluoreszierenden Pseudomonaden (Liu & Sinclair 1993). Es ist aus diesem Grund notwendig, auch auf Erfahrungen, die mit diesen und weiteren PGPR gemacht wurden, zurückzugreifen.

Von besonderem Interesse sind Details zur räumlichen und zeitlichen Verteilung sowie zur Überlebensfähigkeit der Nutzbakterien nach Applikation. So stellte Weller (1983) [Seite 11↓]eine Verteilung von Pseudomonas fluorescens 2-79 auf der gesamten Wurzellänge von Winterweizen fest, einschließlich der Wurzelspitzennähe. Der gleiche Autor hob jedoch hervor, dass die oberen Wurzelabschnitte in Samennähe besser besiedelt werden als tiefer gelegene (Weller 1986). Ähnliche Erfahrungen machten Bahme & Schroth (1987) bei ihren Versuchen zur räumlichen Verteilung eines introduzierten Pseudomonas fluorescens-Stammes an Kartoffeln. Auch Ryder & Borrett (1991) fanden an Weizenpflanzen, die über eine Saatgutapplikation mit Pseudomonas corrugata behandelt worden waren, die höchsten Populationsdichten des eingebrachten Bakteriums im Bereich am und um den Samen bzw. dessen Überresten. Zu ähnlichen Ergebnissen kamen Schmidt et al. (2000b). Sie fanden die größte Populationsdichte und die größte Aktivität von zuvor über Saatgutbehandlung eingebrachten Stämmen von Pseudomonas fluorescens und Pseudomonas corrugata am Hypokotyl und den oberen Wurzelteilen von Zuckerrübensämlingen. Demgegenüber sagte Bochow (1994) aus, dass für Bacillus subtilis der aktiv wachsende Teil der Wurzel (Wurzelspitze, Stolonen) bevorzugte Besiedlungszone für die Bakterien sei. Malies (1995) beobachtete in erdeloser Tomatenkultur zunächst eine stärkere Besiedlung der oberen Wurzelregion durch Bacillus subtilis, jedoch wurden die Unterschiede der Populationsdichten in den einzelnen Wurzelregionen mit zunehmender Versuchsdauer geringer. Dieser Fakt wird durch die Ergebnisse von Albrecht (1995) bei populationsdynamischen Untersuchungen von Bacillus subtilis an Radieschen in Erdsubstraten untermauert. Freier et al. (1990a) fanden über eine sechsmonatige Versuchszeit einen relativ stabilen Titer von Bacillus subtilis T99 in Erdsubstrat und schlossen daraus auf eine hohe Konkurrenzfähigkeit des introduzierten Nutzbakteriums. Liu & Sinclair (1992) befassten sich mit der Populationsdynamik eines applizierten Bacillus megaterium-Stammes an Sojabohnen. Sie stellten eine schnelle Etablierung der introduzierten Bakterien, eine hohe Affinität zur Pflanzenwurzel, eine hohe Konkurrenzfähigkeit gegenüber der autochthonen Bodenmikroflora sowie eine gute und dauerhafte Besiedlung der Pflanzenwurzeln und der Rhizosphäre fest. Zudem beobachteten die Autoren eine stärkere vertikale als horizontale Ausbreitung von Bacillus megaterium im Boden. Während die Populationsdichte dieses Bakteriums zum Ende der Vegetationszeit in den oberen 10 cm des Bodens deutlich zurückging, blieb sie in tieferen Bodenschichten (20 cm – 30 cm) relativ konstant. Albrecht (1995) und Malies (1995) stellten bei populationsdynamischen Versuchen mit Bacillus subtilis eine mit fortschreitender Zeitdauer abnehmende Populationsdichte des introduzierten [Seite 12↓]Bakteriums fest. Malies (1995) begründet das mit der schwachen Konkurrenzkraft von Bacillus subtilis und der Tatsache, dass diese Art nicht zu den ausgesprochenen Rhizosphärebakterien gehört. Kloepper (1996) äußerte zur Überlebensfähigkeit introduzierter PGPR im Allgemeinen, dass ihre Population an den Pflanzenwurzeln während der Vegetationsperiode stetig absinkt und nach der Ernte nicht mehr im Boden nachweisbar ist. Grund dafür ist die enge Bindung der Bakterien an die Pflanzenwurzel. Lediglich einige sporenbildende Bakterien seien in der Lage, längere Zeit ohne Vorhandensein der Wurzel zu überdauern. Solche Sporenbildner sind Bacillus spp. und, wie bereits beschrieben, konnten Liu & Sinclair (1992) das Nutzbakterium Bacillus megaterium ohne Wiederholung der Applikation über mehr als ein Jahr im Boden nachweisen. So könnten gerade mit Bacillus-Arten besonders nachhaltige Effekte im Hinblick auf Pathogenunterdrückung bzw. Phytoeffektivität erzielt werden.

2.2. Einflussfaktoren

2.2.1. Allgemein

Die räumliche und zeitliche Verteilung von PGPR an Pflanzenmaterial und im Boden ist von einem Komplex ökologischer und edaphischer Faktoren abhängig, so von

Es ist jedoch nicht ausreichend, als Einflussfaktoren für die Populations- und Aktivitätsdynamik introduzierter Bakterienisolate lediglich äußere Bedingungen zu betrachten. Ebenso bedeutungsvoll sind Eigenschaften der Interaktionspartner – also der Kulturpflanze, des Pathogens und des introduzierten Nutzbakteriums – sowie Art und Weise der Applikation der eingesetzten PGPR. Entscheidende Faktoren sind dabei:

  1. bei der Kulturpflanze

  1. beim Pathogen

  1. beim Nutzorganismus

Um die Einsatzbedingungen für nützliche Rhizobakterien genauer definieren zu können, ist es erforderlich, einzelne ökologische und edaphische Faktoren sowie Eigenschaften der Interaktionspartner hinsichtlich ihres Einflusses auf Populationsdynamik und Aktivität des introduzierten Mikroorganismus zu wichten und günstige Bedingungen für die Nutzbakterien herauszustellen.

2.2.2. Temperatur

Von vielen Autoren wird die Temperatur für einen bedeutenden abiotischen Faktor gehalten, der sich unmittelbar auf die Populationsdichten von Mikroorganismen auswirkt. Nach Weller & Thomashow (1994) liegen die Temperaturoptima vieler PGPR in vitro bei über 25 °C, während die Wurzelbesiedlung bei unter 20 °C am größten ist. Loper et al. (1985) kamen zu dem Ergebnis, dass die Wurzelbesiedlung bei Kartoffeln durch zwei verschiedene Isolate fluoreszierender Pseudomonaden bei Temperaturen von 12 °C bzw. 18 °C am besten war, obwohl die jeweiligen Temperaturoptima in vitro 28 °C bzw. 30 °C betrugen. Die Differenz in den Temperaturansprüchen in vitro und in vivo wurde auch von Parke (1991) angesprochen. Gutterson et al. (1990) stellten fest, dass der Stamm Pseudomonas fluorescens Hv37a Baumwollwurzeln bei Temperaturen von 16 °C und 20 °C gut besiedelte, während bei 24 °C eine 100mal niedrigere Populationsdichte ermittelt wurde. Seong et al. (1991) beobachteten bei Pseudomonas fluorescens ANP15 bei
18 °C eine bessere Wurzelbesiedlung als bei 30 °C. Von einer höheren Überlebensrate von Pseudomonas fluorescens 88W1 in Boden bei 5 °C und 15 °C im Vergleich zu
25 °C berichten auch Vandenhove et al. (1991). Davies & Whitbread (1989) ermittelten ein Ansteigen der Populationsdichte von introduzierten Pseudomonaden in der Rhizosphäre von Radieschen bei Temperaturen zwischen 14 °C und 22 °C. Eine mit steigender Temperatur abnehmende Wurzelbesiedlung durch Lux-Gen-markierte Pseudomonaden beobachteten Beauchamp et al. (1991) bei den Temperaturstufen
12 °C, 20 °C und 28 °C, wobei sich die Populationsdichte der autochthonen Bakterienflora als weitgehend unabhängig von der Temperatur erwies. Für die Populationsentwicklung von Bacillus subtilis stellten Gupta & Utkhede (1986) ein Temperaturoptimum von 25 °C in sterilisiertem Boden fest. Bochow & Gantcheva[Seite 15↓](1995) bezeichneten Temperaturen um 20 °C sowie einen Hitzeschock durch einstündiges Pasteurisieren von zuvor mit Bacillus subtilis behandeltem Substrat als förderlich für die Populationsentwicklung der introduzierten Bakterien. Reddy & Rahe (1989a) hoben hervor, dass das Überleben von Bacillus subtilis B-2 in der Rhizosphäre durch hohe Temperatur, hohe pH-Werte und hohe Feuchtigkeit günstig beeinflusst wird, wobei sie die Temperatur für die wichtigste Variable hielten. Sie ermittelten bei Temperaturen von 22 °C – 25 °C höhere Populationsdichten als bei 17 °C – 19 °C. Demgegenüber beschrieben Tedla & Stanghellini (1992) die Generationsfolge der autochthonen Bakterienpopulationen im Rhizosphärenbereich bei ihren Versuchen als nahezu unabhängig von der Temperatur. Da die Entwicklung des pilzlichen Krankheitserregers Pythium aphanidermatum jedoch bei höheren Temperaturen schneller verlief, sahen sie in dieser Tatsache einen relativen Konkurrenzvorteil für die Bakterien bei niedrigeren Temperaturen.

Nicht nur die Besiedlung von Pflanzenmaterial (Samen, Wurzeln) und Boden wird vom Umweltfaktor Temperatur maßgeblich beeinflusst, sondern ebenso die Aktivität der Bakterien sowie ihre Produktion antifungaler und phytoeffektiver Substanzen.

Gupta & Utkhede (1986) ermittelten in einem Temperaturbereich zwischen 21 °C und 28 °C und bei pH-Werten zwischen 5,0 und 8,0 die maximale Produktion antifungaler Substanzen durch Bacillus subtilis. Krebs et al. (1998) schrieben der Temperatur und den Nährstoffverhältnissen eine Schlüsselrolle für die antagonistische Aktivität von Bacillus subtilis zu, während andere ökologische Faktoren von untergeordneter Bedeutung zu sein schienen. Kilian et al. (1998) hoben hervor, dass der Stamm Bacillus subtilis FZB24® trotz eines besseren Wachstums bei höheren Temperaturen auch bei niedrigeren Temperaturen stoffwechselaktiv ist. Dadurch war dieses Bakterienisolat in der Lage, bereits im Frühjahr einem Befall von Kartoffelpflanzen durch Rhizoctonia solani effektiv entgegenzuwirken, was sich in einer Auflaufverbesserung der Kartoffeln auch bei frühen Pflanzterminen äußerte. Diese Erkenntnis ist von außerordentlicher Praxisrelevanz. Falkhof et al. (1988) betonten, dass auch die Resistenzinduktion in Kulturpflanzen durch mikrobielle Stoffwechselprodukte stark von Umweltbedingungen, insbesondere der Temperatur, abhängt. Sie stellten fest, dass ständig wechselnde Temperaturverhältnisse und die Tagesgänge der Temperatur, wie sie normalerweise im Gewächshaus und im Freiland auftreten, von entscheidender Bedeutung für eine erfolgreiche Resistenzinduktion sind.


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2.2.3.  Physiko-chemische Bodeneigenschaften und mikrobielle Konkurrenz

Neben der Temperatur schreiben viele Autoren auch den Bodeneigenschaften eine große Bedeutung für die Populationsentwicklung eingebrachter PGPR zu. Kilian et al. (1998) nennen Feuchte, pH-Wert, Bodenstruktur und Nährstoffversorgung als potenzielle Einflussfaktoren, denen biologische Pflanzenschutz- und Stärkungsmittel auf der Basis lebender Mikro- oder Makroorganismen unter Praxisbedingungen unterworfen sind. Durch die Bodentextur wird sowohl der passive Transport der Bakterien (Bitton et al. 1974) als auch deren Wurzelbesiedlungsverhalten beeinflusst (Bahme & Schroth 1987). Latour et al. (1996) stellten eine Abhängigkeit der Zusammensetzung von Pseudomonaden-Populationen an Pflanzenwurzeln von Pflanzenart und Bodentyp fest, wobei der letztgenannte Faktor der entscheidende war. Sie hoben hervor, dass Bodeneigenschaften nicht nur für die Überlebensfähigkeit der fluoreszierenden Pseudomonaden von ausschlaggebender Bedeutung sind, sondern auch für deren Aktivität. Höper et al. (1995) zeigten, dass eine Erhöhung des pH-Wertes des Bodens und eine Anreicherung des Substrates mit Ton zu einem signifikanten Anstieg der Populationsdichten autochthoner fluoreszierender Pseudomonaden führte. Yuen et al. (1985) fanden höhere Keimzahlen des introduzierten Bakterienstammes MFA1 (Alcaligenes sp.) in sandigem Lehm und Ton-Lehm-Böden mit nahezu neutralem pH-Wert als in Sand und lehmigem Sand mit niedrigem pH. Tu (1994) untersuchte den Einfluss von Bodentemperatur und –feuchte auf das Besiedlungsverhalten von Bacillus subtilis und stellte fest, dass von den 3 getesteten Temperaturstufen 10 °C, 20 °C und
30 °C die niedrigste am günstigsten für das Populationswachstum der Bakterien war. Zudem bestand eine signifikant umgekehrte Proportionalität der für die Populationsentwicklung optimalen Bodenfeuchte und Temperatur. Bochow (1994) schrieb den physiko-chemischen Eigenschaften der Substrate eine untergeordnete Bedeutung für die Populationsdynamik von Bacillus subtilis zu, hielt jedoch die Konkurrenz autochthoner Mikroorganismen für bedeutsam. Neben der Temperatur wurde von Bochow & Gantcheva (1995) das Vorhandensein von ausreichend Bodenfeuchte als entscheidender Faktor für das Populationswachstum von Bacillus subtilis beschrieben. Die Konkurrenz durch die aktive autochthone Mikroflora wurde von diesen Autoren als bedeutende limitierende Variable für die Entwicklung der eingebrachten Bakterien genannt. Für die Überlebensfähigkeit allochthoner Bakterien im Boden bezeichnete Hirte (1977) die Menge und Qualität der organischen Substanz, [Seite 17↓]die Bodentemperatur, die Bodenart sowie die biologische Aktivität des Bodens als die stärksten Einflussfaktoren. Untersuchungen von Liu & Sinclair (1993), die in zwei verschiedenen autoklavierten Medien kaum Unterschiede im Besiedlungsverhalten von Bacillus megaterium beobachteten, legen die Vermutung nahe, dass die mikrobielle Konkurrenz die entscheidende Rolle für unterschiedliche Wurzelbesiedlung von introduzierten Mikroorganismen in verschiedenen Substrattypen spielt. So zeigten mehrere Autoren, dass die Besiedlungsdichte von Rhizosphäre und Substrat durch Bacillus subtilis am höchsten ist in künstlichen oder zuvor sterilisierten Substraten (Grosch et al. 1996, Batinic et al. 1998, Krebs et al. 1998). Bahme & Schroth (1987) fanden die höheren Keimzahlen von Pseudomonas fluorescens A1-B an Wurzelabschnitten von Kartoffelpflanzen in sandigem Lehm im Vergleich zu Ton-Lehm. Slininger & Jackson (1991) diskutieren den Einfluss verschiedener Nährstoffe auf das Wachstum von Pseudomonas fluorescens. Schmidt et al. (2000a) stellten fest, dass Pseudomonas fluorescens, Pseudomonas corrugata und Bacillus subtilis bei allen getesteten Boden-pH-Werten zwischen pH 5 und 8 in der Lage waren, die Rhizosphäre von Zuckerrübensämlingen zu besiedeln und dass der pH-Wert des Bodens keinen Einfluss auf die antagonistische Aktivität der Bakterien gegen Pythium ultimum hatte. Jedoch können Veränderungen im pH-Wert Verschiebungen in der Konkurrenzsituation zwischen autochthonen Mikroorganismen bewirken (Dughri & Bottomley 1984). Untersuchungen von Dowling & Broughton (1986) ergaben, dass der pH-Wert des Bodens die Knöllchenbildung und Überlebensfähigkeit von Rhizobien beeinflusste. Für die Wurzelbesiedlung durch Pseudomonaden wurde ein Matrixpotenzial des Bodens von –1 kPa bis –140 kPa als Optimalbereich angegeben (Parke et al. 1984, Howie et al. 1987, Liddell & Parke 1989). Bei einem hohen Matrixpotenzial des Bodens ist ein großer Teil des Porenvolumens mit Wasser gefüllt und der Sauerstoffvorrat ist gering (Howie et al. 1987), was für aerobe Bakterien wie Bacillus subtilis von Nachteil ist. Wegen des Sauerstoffbedarfs dieses Bakteriums ist dessen Etablierung und Aktivität in den oberen, gut durchlüfteten Bodenschichten am größten (Bochow 1989, Freier et al. 1990a). Soni & Kanwar (1989) führten die Verminderung des Auftretens von Zuckerrohr-Welke durch Zugabe organischer Substanz (Reisspelzen und Sägemehl) hauptsächlich auf die damit erreichte Erhöhung der natürlich im Boden vorkommenden Population von Bacillus subtilis zurück. Sie wiesen darauf hin, dass durch die Zugabe organischer Substanz physikalische Bodeneigenschaften wie Porengröße, Belüftung und Temperatur beeinflusst werden, was wiederum zu einer Aktivitätserhöhung aerober [Seite 18↓]Bakterien wie Bacillus subtilis führt. Von einer Förderung natürlich vorkommender Antagonisten gegen Sclerotinia rolfsii – unter ihnen Bacillus subtilis – durch Zugabe von organischer Substanz berichten Palakshappa et al. (1989). Gupta & Utkhede (1987) zeigten, dass die antifungale Wirksamkeit von Bacillus subtilis von bestimmten Nährstoffkombinationen abhängt.

2.2.4. Eigenschaften der Interaktionspartner

Ob sich ein introduzierter Mikroorganismus überhaupt an der Pflanzenwurzel etablieren kann, hängt nach Windels et al. (1985) in entscheidendem Maß von Faktoren ab, die mit der Pflanze in Verbindung stehen. Die Autoren nennen in diesem Zusammenhang die Zugehörigkeit der Kultur zu Monokotylen bzw. Dikotylen, die Kultursorte sowie den Typ der Samenkeimung (epigäisch oder hypogäisch). Auch dem Verhältnis von Wurzelwachstum zu Sprosswachstum wird Bedeutung für die Wurzelbesiedlung durch eingebrachte Bakterien beigemessen.

Dass verschiedene Arten von Kulturpflanzen unterschiedlich auf Behandlung mit nützlichen Mikroorganismen reagieren, ist hinlänglich bekannt (Nelson et al. 1986, Chanway et al. 1988, Van Peer & Schippers 1989, Berger et al. 1996).

Weller (1986) stellte außerdem fest, dass die Wurzelsysteme der von ihm untersuchten 11 Weizensorten unterschiedlich gut von einem antagonistisch wirksamen Stamm von Pseudomonas fluorescens besiedelt wurden. Er konnte auf Wurzelabschnitten 3-5 cm vom Samen entfernt Unterschiede in der Besiedlungsdichte des Bakteriums von bis zu zwei Zehnerpotenzen in Abhängigkeit von der jeweiligen Weizensorte finden. Ähnliche Beziehungen zwischen Kulturpflanzensorte und ihrer Besiedlungsfähigkeit durch nützliche Mikroorganismen fanden auch Hebbar et al. (1992) bei ihren Versuchen mit Pseudomonas cepacia an Mais. Aus dieser Erkenntnis heraus scheint die Züchtung solcher Kulturpflanzensorten, die den Besatz mit krankheitsunterdrückenden Mikroorganismen fördern, eine weitere sinnvolle Maßnahme zu sein, um die Erfolgsaussichten der biologischen Bekämpfung boden- und samenbürtiger Pflanzenkrankheitserreger zu erhöhen (Smith et al. 1997). Chanway & Nelson (1991) beobachteten eine sortenabhängige Wachstumsförderung von Sommerweizen durch Bacillus sp. Mit dem Einfluss der Sorte und der Sameneigenschaften auf das Besiedlungsverhalten von Bacillus subtilis beschäftigten sich Mahaffee & Backman (1991) sowie Mahaffee & Backman (1993) bei ihren Versuchen an Baumwolle. Sie [Seite 19↓]machten Unterschiede im pH-Wert auf der Samenoberfläche wesentlich für die Variabilität der Besiedlung von Spermosphäre und Keimwurzel durch Bacillus subtilis GB-03 verantwortlich. Die Autoren hielten es für möglich, dass Differenzen in der Wurzelbesiedlung durch das Nutzbakterium bei verschiedenen Baumwollsorten hauptsächlich auf sortenspezifische Unterschiede im pH-Wert der Samenoberfläche zurückzuführen sind. Die geringere Populationsdichte von Bacillus subtilis GB-03 auf der Samenoberfläche säurebehandelter, nicht neutralisierter Baumwollsamen im Vergleich zu neutralisierten führten sie nicht auf eine Reduktion der Bakterienpopulation an sich, sondern auf die Hemmung der Sporenkeimung durch niedrige pH-Werte zurück (Mahaffee & Backman 1993). Lam & Torkewitz (1991) merkten an, dass nicht alle von ihnen getesteten, an die Pflanzenwurzel gebundenen Pseudomonaden in der Lage waren, die gleichen Komponenten der Wurzelexsudate zu nutzen.

Von großem Einfluss sowohl auf das Besiedlungsverhalten eingebrachter Bakterien als auch deren antagonistische Wirksamkeit gegen mikrobielle Phytopathogene ist die applizierte Dosis (McKnight & Rosall 1991). Krebs et al. (1993) stellten neben der eingebrachten Keimzahl von Bacillus subtilis die Häufigkeit der Applikation sowie den Anwendungszeitpunkt im Verhältnis zum Entwicklungsstadium der Pflanze als wichtige Einflussfaktoren für die Populationsdynamik der Bakterien heraus.

Aus dem Ergebnis umfangreicher Untersuchungen heraus empfehlen Junge et al. (1999) einen frühzeitigen Einsatz von Bacillus subtilis, um Auflauf und Frühentwicklung der Kulturpflanzen zu stimulieren. Auch Malies (1995) erachtete es als bedeutungsvoll, dass das Bakterium bereits in einer sehr frühen Phase der Pflanzenentwicklung sein antagonistisches Potenzial zur Wirkung bringen kann. Durch die vergleichsweise schwache Konkurrenzkraft von Bacillus subtilis erscheint eine Saat- oder Pflanzgutbehandlung als optimal, damit Samen bzw. Pflanzenwurzel bereits durch den Antagonisten besetzt sind, bevor Mikroorganismen aus dem Substrat diese Nischen besiedeln. Anderenfalls ist von einer ineffektiven Wurzelbesiedlung durch Bacillus subtilis auszugehen, die mit dem Ausbleiben der erwünschten phytoeffektiven und phytosanitären Effekte einhergeht.

Bei Versuchen in erdeloser Tomatenkultur war bei Gießapplikation die Besiedlungsdichte von Bacillus subtilis direkt abhängig von der eingebrachten Sporendichte des Bakteriums (Malies 1995). Bull et al. (1991) fanden eine direkte [Seite 20↓]Abhängigkeit der Populationsdichte von Pseudomonas fluorescens an Weizenwurzeln von der an die Samen applizierten Dosis. Schmidt et al. (2000b) beobachteten ein mit steigender introduzierter Keimzahl einhergehendes Anwachsen der Besiedlungsdichte und der antagonistischen Aktivität von Pseudomonas fluorescens an Zuckerrübensämlingen, während sich dieser Effekt bei Pseudomonas corrugata nicht zeigte. Auch bei Bacillus subtilis gibt es Hinweise auf Unterschiede im Besiedlungsverhalten einzelner Isolate (Bochow 1994, Malies 1995). Diese Erkenntnis deutet darauf hin, dass sich selbst nahe verwandte Mikroorganismen nach ihrem Einbringen in das System Pflanze – Boden populationsdynamisch sehr unterschiedlich verhalten können. Das legt die Schlussfolgerung nahe, dass nur eine begrenzte Übertragbarkeit der Ergebnisse populations- und aktivitätsdynamischer Untersuchungen auf andere Mikroorganismenarten besteht.

Xi et al. (1996) untersuchten den Einfluss zweier verschiedener Formulierungen eines fluoreszierenden Pseudomonaden-Stammes auf dessen Populationsdynamik an Erbsenwurzeln. Dabei ermittelten sie die höheren Populationsdichten bei Einsatz einer Torf-Formulierung im Vergleich zu einer Granulat-Formulierung. Im Zusammenhang mit der Rolle von Formulierung und Applikationstechnik diskutieren Freier et al. (1990a) den Einfluss des Anteils versporter Zellen bei Applikation von Bacillus subtilis. Sie berichten, dass ein hoher Versporungsgrad in der Kulturlösung günstig für hohe Überlebensraten der eingebrachten Bakterien im Boden war, ein hoher Anteil an vegetativen Zellen jedoch zu einer besseren Unterdrückung von Fusarium oxysporum f. sp. dianthi führte. Das bedeutet, dass die Art der Formulierung von entscheidender Bedeutung für die Überlebensfähigkeit des introduzierten Mikroorganismus sowie dessen antagonistische Wirksamkeit ist. Außerdem favorisieren die Autoren für Bacillus subtilis T99 eine Gießbehandlung des Substrates als Applikationsform, da dieser Stamm ursprünglich aus der Bodenmikroflora einer Nelkenkultur isoliert wurde und somit kein typischer Rhizosphärenbesiedler ist. Malies (1995) beobachtete in erdeloser Tomatenkultur bei Gießbehandlung eine gleichmäßigere und kontinuierlichere Besiedlung der einzelnen Wurzelbereiche durch Bacillus subtilis als bei Saatgutbehandlung. Als Mechanismen für die Verteilung der Bakterien in vertikaler Richtung nennt die Autorin neben der aktiven Eigenbewegung der Bakterien den passiven Transport durch Sickerwasser. Insbesondere letzteres kommt als Ursache für die gleichmäßigere Verteilung der Bakterienzellen bei Gießbehandlung in Betracht. [Seite 21↓]Albrecht (1995) erreichte durch kombinierte Saatgut- und Substratbehandlung sowie alleinige Substratbehandlung mit Bacillus subtilis eine höhere Populationsdichte in der Rhizosphäre von Radieschenpflanzen als durch alleinige Saatgutbehandlung.

2.3. Zusammenhang zwischen Populationsdichte und Wirksamkeit

Für die Wirkung von Bacillus subtilis ist keineswegs die Populationsdichte allein entscheidend. Diese Schlussfolgerung lässt sich bereits aus den Ergebnissen von Reddy & Rahe (1989a) ziehen, die phytoeffektive Wirkungen durch den Bacillus subtilis-Stamm B-2 beobachteten, obwohl dieser sich nicht in hoher Keimzahl an den Pflanzenwurzeln erhalten konnte.

Auch Reddy & Rahe (1989b), Kowalski (1992) und Gantcheva (1993) fanden keine direkte Beziehung zwischen der Populationsdichte von Bacillus subtilis und dessen phytoeffektiver und antifungaler Leistung. Diese Erkenntnis steht im Gegensatz zu Erfahrungen bei fluoreszierenden Pseudomonaden (Bull et al. 1991, Raaijmakers et al. 1995). Aber auch bei Pseudomonas-Arten gibt es widersprüchliche Aussagen. So fanden Leeman et al. (1995) keine Korrelation zwischen zur Erntezeit ermittelter Populationsdichte von Pseudomonas fluorescens WCS374 und antifungaler Leistung gegen Fusarium-Welke an Radieschen. Liu et al. (1995) stellten heraus, dass die Ausprägung von durch Pseudomomas putida und Serratia marcescens induzierter systemischer Resistenz in Gurkenpflanzen nicht an große Populationen der introduzierten Bakterien gebunden war. Aus ihren Erkenntnissen zogen sie die Schlussfolgerung, dass ein PGPR-Stamm auch dann als „Biocontrol Agent“ effektiv sein kann, wenn er kein guter Wurzelbesiedler ist. Diese Tatsache spricht für Bacillus subtilis, denn auch wenn sich dieses Bakterium nicht in so großer Populationsdichte im Wurzelraum erhalten kann wie fluoreszierende Pseudomonaden, bedeutet das nicht, dass dessen antifungale Leistung schwächer sein muss.

Weitere Autoren verweisen darauf, dass es offenbar keinen direkten Zusammenhang zwischen Populationsdichte von Bacillus subtilis im Substrat bzw. an den Pflanzenwurzeln und seiner phytosanitären Aktivität gibt (Reddy & Rahe 1989b, Kloepper 1991, Gantcheva 1993, Tutzun & Kloepper 1994, Bochow & Gantcheva 1995, Handelsmann & Stabb 1996, Grosch et al. 1996, Zimmer et al. 1998). Von größerer Bedeutung als die Keimzahl von Bacillus subtilis ist offenbar die [Seite 22↓]Aktivität der Bakterienzellen (Zimmer et al. 1999b). Schmidt et al. (2000a) ermittelten mit Hilfe messbarer Biolumineszenz in Hypokotyl-Proben von Zuckerrübensämlingen die Aktivität zuvor eingebrachter Isolate von Pseudomonas fluorescens und Bacillus subtilis. Sie stellten für Pseudomonas fluorescens eine hohe Aktivität in allen getesteten Böden fest, während bei Bacillus subtilis keine oder nur eine sehr geringe Biolumineszenz gemessen wurde. Dies ließ darauf schließen, dass die Population von Bacillus subtilis an Wurzel und Hypokotyl größtenteils aus versporten Zellen bestand.

Das Verhältnis zwischen Populationsdichte von Bacillus subtilis zur phytoeffektiven Leistung und Pathogen unterdrückenden Wirkung ist auch Gegenstand dieser Arbeit.


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17.06.2004