Humboldt-Universität zu Berlin

Zur Populations- und Aktivitätsdynamik des nützlichen Rhizobakteriums Bacillus subtilis (Ehrenberg) Cohn nach Introduktion in natürliche Systeme von Pflanze und Boden

DISSERTATION

zur Erlangung des akademischen Grades
Doctor rerum horticulturarum
(Dr. rer. hort.)

eingereicht an der
Landwirtschaftlich-Gärtnerischen Fakultät
der Humboldt-Universität zu Berlin

von
Diplom-Gartenbauingenieur Jens Zimmer

geb. am 24.02.1968 in Großröhrsdorf (Sa.)

Dekan: Dekan der Landwirtschaftlich-Gärtnerischen Fakultät
Prof. Dr. Uwe Jens Nagel

Gutachter:
1. Prof. em. Dr. Dr. h.c. H. Bochow
2. Dr. K.-D. Hentschel
3. Prof. Dr. U. Burth

eingereicht: Juni 2003

Datum der Promotion: 05.12.2003

Kurzfassung

Zimmer, Jens: Zur Populations- und Aktivitätsdynamik des nützlichen Rhizobakteriums Bacillus subtilis (Ehrenberg) Cohn nach Introduktion in natürliche Systeme von Pflanze und Boden

Die Besiedlung der Pflanzenwurzel und das Vorhandensein aktiver Zellen sind grundlegende Voraussetzungen für das Zustandekommen phytoeffektiver und Pathogen unterdrückender Effekte durch Applikation des Nutzbakteriums Bacillus subtilis. Der Einfluss ökologischer und edaphischer Faktoren auf das Besiedlungsverhalten der introduzierten Bakterien wurde im Rahmen umfangreicher populations- und aktivitätsdynamischer Untersuchungen ergründet. Die Versuche wurden in drei verschiedenen Substrattypen an der Modellpflanze Erbse (Pisum sativum L. cv. ‘Bördi‘) unter kontrollierten Bedingungen in der Klimakammer durchgeführt.

Die Populationsdichte von Bacillus subtilis war in starkem Maße abhängig von der angewendeten Dosis. Die Verwendung von Kaliumnitrat, Sand oder Maisstärke als Trägerstoff für die Bacillus subtilis-Formulierung war für das Besiedlungsverhalten des Nutzbakteriums unerheblich.

Die Entwicklung von Bacillus subtilis-Populationen an Pflanzenwurzel und im Substrat war temperaturabhängig. Höhere Versuchstemperaturen hatten größere Populationsdichten zur Folge. Der Temperatureinfluss war in Quarzsand wesentlich stärker als in Feldboden. Die peripheren Wurzelteile wiesen in Quarzsand zumeist größere Populationsdichten auf als die in Samennähe befindlichen Wurzelteile. Der Zusatz des Neem-Präparates Rhakshak Gold führte in vivo weder zu einer signifikanten Erhöhung der Populationsdichte von Bacillus subtilis noch zu einer Aktivitätserhöhung. Die Gesamtkeimzahlen in Rhizosphäre und Substrat wurden durch die Anwendung von Bacillus subtilis nicht beeinflusst.

Die Aktivität von Bacillus subtilis in Rhizosphäre, Rhizoplane und Substrat war gering, der größte Teil der Keime lag versport vor. Die geringsten Versporungsgrade wurden in Quarzsand in der Rhizoplane sowie in Feldboden im Substrat festgestellt.

Die Applikation des Nutzbakteriums führte zu einem reduzierten Krankheitsbefall der Erbsenpflanzen mit Phoma pinodella und Rhizoctonia solani. Die antifungale Wirkung kam in Feldboden und Aussaaterde wesentlich stärker zum Tragen als in Quarzsand.

Es war kein direkter Zusammenhang zwischen Populationsdichte der introduzierten Bakterien in Rhizosphäre und Substrat und deren phytoeffektiver sowie antifungaler Leistung erkennbar. Als Ursache dafür wird der hohe Anteil versporter Zellen in der Bacillus subtilis-Population angesehen.

Die Ergebnisse werden hinsichtlich der Bedeutung des Besiedlungsverhaltens und der Aktivität von Bacillus subtilis für dessen phytoeffektive und antifungale Wirkung diskutiert.

Eigene Schlagworte: Bacillus subtilis , Populationsdynamik, Aktivitätsdynamik, Biologischer Pflanzenschutz, ökologische Faktoren, Erbse

Abstract

Zimmer, Jens: Population- and activity dynamics of the beneficial rhizobacterium Bacillus subtilis (Ehrenberg) Cohn after introduction into natural systems of plant and soil

The colonization of the plant root and the presence of physiologically active bacterial cells are basic conditions to obtain plant growth promotion and disease suppression by application of Bacillus subtilis. Studies of the population- and activity dynamics of the introduced bacteria were carried out to determine the influence of different soil types and ecological factors on colonization of plant roots by Bacillus subtilis. Pea plants (Pisum sativum L. cv. ‘Boerdi‘) which were treated with these bacteria have been grown in three different types of substrate under controlled conditions in the climate chamber.

The population density of Bacillus subtilis was strongly dependend on the applied number of cfu (colony forming units). The use of potassium nitrate, sand or maize starche as carrier for the bacterial formulation did not affect the colonization behaviour.

The development of Bacillus subtilis-populations at the plant roots and in the substrate was significantly influenced by temperature. Higher temperatures during the trials resulted in larger population sizes of the introduced bacteria. The influence of temperature was much stronger in quartz sand compared with field soil. In most cases the colonization of the outer parts of the root near the root tip was better than the colonization of the root parts near the seed. The addition of the neem-extract Rakshak Gold did not have a significant influence on population density and activity of Bacillus subtilis in vivo. Nearly no effects of the bacterial treatments on the indigenous microflora could be found.

The physiological activity of Bacillus subtilis in the rhizosphere, on the root surface and in the substrate was low. The bacterial population consisted largely of spores. The lowest percentage of spores was determined directly on the root surface (in quartz sand) and in the substrate (in field soil) respectively.

The bacterial treatments led to a reduced disease severity on pea plants caused by Phoma pinodella and Rhizoctonia solani. The antifungal activity was higher in field soil and horticultural substrate compared with quartz sand.

There was no correlation between the population density of the introduced bacteria in rhizosphere and substrate and their plant growth promoting or antifungal effects. A possible reason for that is the high percentage of non-active cells within the population of Bacillus subtilis.

The results would be discussed towards the importance of population dynamics and activity of the rhizobacterium Bacillus subtilis for its plant growth and health promoting effects.

Eigene Schlagworte: Bacillus subtilis , population dynamics, activity dynamics, biological control, ecological factors, pea

Gewidmet

meinem viel zu früh verstorbenen Vater, Herrn Dipl.-Ing.
Egon Zimmer (19.05.1942 – 22.11.2001)

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17.06.2004