Zusammenfassung

Eisenmangel stellt in der Landwirtschaft eine große Herausforderung dar und beeinträchtigt das Pflanzenwachstum und die Ernteerträge. In diesem Zusammenhang konnte bereits gezeigt werden, dass einige Mikroorganismen die Bioverfügbarkeit dieses essentiellen Mikronährstoffs verbessern können, indem sie Siderophore synthetisieren und an die Umgebung abgeben. Bei Siderophoren handelt es sich um Sekundärmetabolite, die in der Lage sind, unlösliches Fe³⁺ effizient zu komplexieren. In voran gegangenen Studien konnte bereits eine pflanzenwachstumsfördernde Wirkung von mikrobiellen Siderophoren in eisenarmen Böden nachgewiesen. werden Daher haben Siderophore ein enormes Anwendungspotenzial in der Landwirtschaft als Bestandteile alternativer Düngemittel. Ihre native bakterielle Biosynthese wird jedoch durch komplexe regulatorische Netzwerke gesteuert, was die Funktionsanalyse und die biotechnologische Produktion erschwert.

Um dieser Limitierung zu begegnen, wurde im Rahmen des BioSC-Projekts ProPlantMicro der mikrobielle Wirt Pseudomonas putida für die effiziente Produktion des Siderophors Pyoverdin (PVD) entwickelt, um Zugang zu dieser Gruppe wertvoller Verbindungen zu erhalten. In diesem Projekt haben wir erfolgreich neue P. putida-Stämme für die kontrollierte Überproduktion von PVD entwickelt, die unabhängig von intrinsischen Eisenhomöostase reguliert ist. Die mit PVD angereicherten Überstände dieser Kulturen wurden anschließend auf ihre pflanzenwachstumsfördernde Wirkung in einem modifizierten MS-Medium getestet, welches mit Fe³⁺ (Fe₂O₃) angereichert wurde, um die natürlichen Bodenbedingungen nachzuahmen. Es konnte gezeigt werden, dass die Zugabe PVD-haltiger Überstände dieser Stämme auf Wurzeln von Arabidopsis thaliana das Pflanzenwachstum (Blattchlorophyll- und Wurzeleisengehalt) stark verbesserten. Diese Ergebnisse unterstreichen das Potenzial von Pyoverdin in der nachhaltigen Landwirtschaft als Eisenchelator zur Verbesserung des Pflanzenwachstums, indem es die Nutzung von unlöslichem Fe³⁺ aus dem Boden erleichtert.

Darüber hinaus haben wir erfolgreich P. putida-Stämme für die verstärkte Bildung von PVD-haltigen äußeren Membranvesikeln (OMVs) erzeugt. Erste Experimente zeigten, dass das OMV-verkapselte PVD das Pflanzenwachstum weniger wirksam förderte, was wahrscheinlich auf eine deutlich niedrigere PVD-Konzentration zurückzuführen ist. Die in diesem Projekt gewonnenen Daten deuten daher eindeutig daraufhin, dass das pflanzenwachstumsfördernede Siderophor PVD in gentechnisch veränderten P. putida Produktionsstämmen effizient synthetisiert und sekretiert werden kann. PVD hat somit ein großes Potenzial als mikrobiologische Alternative zu Eisenchelatoren auf der Basis fossiler Brennstoffe und kann in Zukunft eine nachhaltige Landwirtschaft im Hinblick auf die Eisenverfügbarkeit darstellen.

SEED FUND 3.0 Projektleiter

Dr. Thomas Drepper
IMET - Molekulare Enzymtechnologie
HHU Düsseldorf
email: t.drepper[at]fz-juelich.de

Partner

Dr. Thomas Drepper, IMET - Molekulare Enzymtechnologie, HHU Düsseldorf
Prof. Dr. Peter Dörmann, IMBIO - Molekulare Biotechnologie der Pflanzen, Universität Bonn

Projektlaufzeit

01.10.2023 - 28.02.2025

Förderung

ProPlantMicro ist Teil des NRW-Strategieprojekts BioSC und wird vom Ministerium für Kultur und Wissenschaft des Landes Nordrhein-Westfalen gefördert.