Germany
November 2, 2020
Growing tomatoes for research purposes in the IPB greenhouse. Photo: Bettina Hause, IPB
Demand for mycorrhizal fungi in gardening and landscaping tasks is steadily climbing, given its ability to boost growth and yield as a natural fertilizer. In a successful first, scientists from the Leibniz Institute of Plant Biochemistry (IPB), partnered the INOQ GmbH and the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK) to develop a mycorrhiza substrate for commercial tomato production. Large-scale trials conducted under conventional cultivation conditions revealed that the fruit crop of mycorrhizal plants outperformed non-mycorrhizal control plants in terms of quality and richness of content for an unchanged yield. The project was funded by the BMBF-sponsored initiative SME innovative for small- and medium-sized enterprises. The findings gleaned will be directly passed on the project partner, INOQ GmbH, and pave the way to produce suitable mycorrhiza preparations for large-scale tomato cultivation for the first time.
Mycorrhiza is a widespread symbiosis between fungi and plants. Around 80 percent of all land plants are involved in this symbiosis, including around 200 different mycorrhizal fungal species. Indeed, many plant species depend on specific mycorrhizal fungi to grow to their potential. The fungus colonizes the root of the plant and supplies its host with water and nutrients, like nitrogen and phosphate. The plant returns the favor by feeding the fungus with sugar and ensuring the latter’s survival in the process. This mutualistic symbiosis helps to accelerate plant growth, boost biomass and fruit yields and often makes plants more resistant to drought stress and disease.
That said, cultivating fungi as salutary symbiosis partners of cultivated plants is not always easy. Certain plant species cannot be mycorrhized at all, while others require certain conditions to enter into symbiosis and do so preferably with certain fungal species. This explains the ongoing quest by professional manufacturers of mycorrhiza preparations to find suitable fungal species and optimal colonization conditions for selected crop species. For example, no suitable mycorrhiza substrate yet exists to cultivate tomato plants commercially in greenhouses. Conversely, tomatoes lend themselves well to being mycorrhized under laboratory conditions, something the IPB has successfully done for research purposes for years. And this is also why the Mycotom SME cooperation project was launched. The two Leibniz institutes, IPB and IPK, teamed up with INOQ GmbH as part of efforts to practically leverage mycorrhiza research insights and started their own fruitful symbiosis in January 2017.
Accordingly, the first step in the joint venture with the IPK involved seeking out tomato-specific mycorrhizal fungi that would interact with commercial varieties like Picolino and Brioso. The search eventually pinpointed Rhizophagus irregularis, a mycorrhizal fungus distributed worldwide and capable of colonizing many plant species, as a suitable choice. The IPB, led by mycorrhiza expert Professor Bettina Hause, then tested a range of soil substrates. Although large greenhouses that produce fresh tomatoes would typically use coconut mats to cultivate these plants, expanded clay is used for research purposes. "The coconut substrate proved completely unsuitable for mycorrhization," confirms Bettina Hause. "We carried out a long series of tests with substrates containing differing proportions of coconut and peat before identifying a suitable mixture on which the plants could be mycorrhized".
Fertilization, however, proved even more challenging. Tomato plants are only open to being colonized by the mycorrhizal fungus when they need the process. Laboratory conditions, meanwhile, stress the plants by giving them only 20 percent of the phosphate they need. Given this lack of nutrients, the plants mycorrhize very swiftly to extract the last minerals from the soil, aided by the fungus. Under commercial growing conditions, conversely, the plants are fully fertilized, meaning the harvest is rich and full-bodied. IPB plant experts found that the plants allowed Rhizophagus irregularis to colonize their roots at 70% phosphate levels with no loss of yield. "This makes for stable, albeit slow, mycorrhization," says Bettina Hause.
Following successful mycorrhization under large-scale cultivation conditions, the Halle scientists also discovered that the symbiosis boosts the taste of the tomatoes. The fruit of mycorrhizal plants was richer in sugar, had more antioxidant lycopene and many more amino acids compared to the non-mycorrhizal control plants. Conclusion: For healthier and tastier tomatoes, mycorrhize your plants. INOQ GmbH has also leveraged these results to develop commercially available mycorrhiza substrates which are usable by growers and gardeners as natural fertilizers. This step will also impact financially on large tomato producers in particular, given the potential savings on mineral phosphate fertilizer.
Their ability to mobilize phosphates from the soil is why mycorrhizal fungi are currently spotlighted as a means of reducing mineral fertilizers, given that inorganic fertilizer reserves of phosphorus will be used up in 40-70 years. Mycorrhizal preparations are an increasingly popular choice, not only in horticulture and landscaping, but also when recultivating post-mining landscapes, rehabilitating areas contaminated with heavy metals and salt and landfill greening and reforestation.
Reference:
Ramona Schubert, Stephanie Werner, Hillary Cirka , Philipp Rödel , Yudelsy Tandron Moya, Hans-Peter Mock, Imke Hutter, Gotthard Kunze & Bettina Hause. Effects of Arbuscular Mycorrhization on Fruit Quality in Industrialized Tomato Production. International Journal of Molecular Sciences 2020, 21 (19), 7029; doi.org/10.3390/ijms21197029
Süße Tomaten durch Mykorrhiza
Mykorrhizapilze sind als natürlicher Dünger zur Wachstums- und Ertragssteigerung im Garten- und Landschaftsbau mehr und mehr gefragt. Wissenschaftlern des Leibniz-Instituts für Pflanzenbiochemie (IPB) ist es gemeinsam mit Partnern der INOQ GmbH und des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) erstmals gelungen, ein Mykorrhizasubstrat für die kommerzielle Tomatenproduktion zu entwickeln. Im Großversuch unter konventionellen Anbaubedingungen erwiesen sich die Früchte mykorrhizierter Pflanzen bei gleichem Ertrag als qualitativ hochwertiger und gehaltvoller, als die der nicht-mykorrhizierten Kontrollpflanzen. Das Projekt wurde von der BMBF-Förderinitiative KMU-innovativ für kleine und mittelständische Unternehmen gefördert. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen direkt zum Projektpartner, der INOQ GmbH, und in die erstmalige Herstellung von geeigneten Mykorrhizapräparaten für den Tomaten-Großanbau.
Die Mykorrhiza ist eine Symbiose zwischen Pilzen und Pflanzen, die weit verbreitet ist. Etwa 80 Prozent aller Landpflanzen gehen diese Lebensgemeinschaft mit ca. 200 verschiedenen Arten von Mykorrhizapilzen ein. Viele Pflanzenarten sind zum optimalen Wachstum auf ihre spezifischen Mykorrhizapilze angewiesen. Der Pilz besiedelt die Wurzel der Pflanze und versorgt seinen Wirt mit Wasser und Nährstoffen, wie Stickstoff und Phosphat. Im Gegenzug erhält er von der Pflanze Zucker, der das eigene Überleben sichert. Im Ergebnis der Symbiose wächst die Pflanze schneller, bildet mehr Biomasse und Früchte und ist oft resistenter gegen Trockenstress und Krankheitsbefall.
Die Kultivierung der Pilze als heilsbringende Symbiosepartner von Kulturpflanzen steht jedoch vor vielen Herausforderungen, da einige Pflanzenarten sich gar nicht mykorrhizieren lassen und andere die Symbiose nur unter bestimmten Bedingungen und bevorzugt mit bestimmten Pilzarten eingehen. Professionelle Hersteller von Mykorrhiza-Präparaten sind daher ständig auf der Suche nach passenden Pilzarten und optimalen Besiedlungsbedingungen für ausgewählte Kulturpflanzenarten. Für den kommerziellen Anbau von Tomatenpflanzen in Gewächshäusern beispielsweise gibt es bisher kein geeignetes Mykorrhizasubstrat. Unter Laborbedingungen hingegen können Tomaten gut mykorrhiziert werden, was am IPB seit Jahren erfolgreich zu Forschungszwecken geschieht. Das war der Grund, das KMU-Kooperationsprojekt Mycotom ins Leben zu rufen. Mit dem Ziel, die Erkenntnisse aus der Mykorrhiza-Forschung in die Praxis zu transferieren, starteten die beiden Leibniz-Institute IPB und IPK gemeinsam mit der INOQ GmbH im Januar 2017 ihre eigene fruchtbare Symbiose.
Gemeinsam mit dem IPK erfolgte zunächst die Suche nach tomatenspezifischen Mykorrhizapilzen, die mit kommerziellen Sorten, wie Picolino und Brioso interagieren. Als geeignet erwies sich Rhizophagus irregularis, ein Mykorrhizapilz, der weltweit verbreitet ist und viele Pflanzenarten besiedelt. Am IPB unter Leitung von Mykorrhiza-Expertin Professor Bettina Hause wurden dann verschieden Bodensubstrate getestet. In großen Gewächshäusern für den kommerziellen Anbau verwendet man zumeist Kokosmatten zur Anzucht der Pflanzen – in der Forschung hingegen Blähton. „Das Kokossubstrat erwies sich als gänzlich ungeeignet zur Mykorrhizierung“, konstatiert Bettina Hause. „Wir haben lange Testreihen mit Substraten durchgeführt, die unterschiedliche Kokos- und Torfanteile aufweisen, ehe wir eine geeignete Mischung fanden, auf der sich die Pflanzen mykorrhizieren lassen.“
Ein noch größeres Problem stellte die Düngung dar. Tomatenpflanzen lassen die Besiedlung durch den Mykorrhizapilz nur dann zu, wenn sie in Not sind. Unter Laborbedingungen stresst man die Pflanzen, indem man ihnen nur 20 Prozent ihrer benötigten Phosphatmenge zugesteht. Unter diesem Nährstoffmangel mykorrhizieren die Pflanzen sehr schnell, um mit Hilfe des Pilzes noch die letzten Mineralien aus dem Boden zu ziehen. Unter kommerziellen Anzuchtbedingungen hingegen werden die Pflanzen voll gedüngt, damit die Ernte reich und vollmundig ausfällt. Die IPB-Wissenschaftler fanden heraus, dass die Pflanzen bei einem Phosphatangebot von 70% die Besiedlung ihrer Wurzeln mit Rhizophagus irregularis zulassen, ohne dabei einen Ertragsverlust zu erfahren. „Die Mykorrhizierung erfolgt hier zwar langsam, aber sie ist stabil“, sagt Bettina Hause.
Im Anschluss an die geglückte Mykorrhizierung unter Großanzuchtbedingungen entdeckten die Hallenser Wissenschaftler, dass die Symbiose sich auch auf den Geschmack der Tomaten positiv auswirkt. Früchte von mykorrhizierten Pflanzen enthielten mehr Zucker, mehr antioxidativ wirksames Lycopin und sehr viel mehr Aminosäuren als jene der nicht-mykorrhizierten Kontrollpflanzen. Fazit: Wer gesunde und schmackhafte Tomaten will, sollte die Pflanzen mykorrhizieren. Mit Hilfe dieser Ergebnisse entwickelt die INOQ GmbH kommerziell erhältliche Mykorrhiza-Substrate, die von Züchtern und Gärtnern als natürlicher Dünger eingesetzt werden können. Besonders bei Tomaten-Großproduzenten wird sich dieser Schritt auch finanziell auswirken, da an mineralischem Phosphordünger gespart werden kann.
Vor allem wegen ihrer Fähigkeit Phosphate aus dem Erdreich zu mobilisieren, spielen Mykorrhizapilze auch bei der Einsparung von Mineraldünger eine Rolle, denn die natürlichen Vorräte an anorganischem Phosphor werden in ca. 40-70 Jahren aufgebraucht sein. Mykorrhizapräparate finden zunehmend nicht nur im Garten- und Landschaftsbau, sondern auch zur Rekultivierung von Bergbaufolgelandschaften, zur Sanierung von schwermetall- und salzbelasteten Flächen, bei Deponiebegrünungen und Aufforstungen Verwendung.
Originalpublikation:
Ramona Schubert, Stephanie Werner, Hillary Cirka , Philipp Rödel , Yudelsy Tandron Moya, Hans-Peter Mock, Imke Hutter, Gotthard Kunze & Bettina Hause. Effects of Arbuscular Mycorrhization on Fruit Quality in Industrialized Tomato Production. International Journal of Molecular Sciences 2020, 21 (19), 7029; https://doi.org/10.3390/ijms21197029
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