Das Bild zeigt Kartoffelpflanzen die im Rahmen eines Feldversuchs in Großbeeren (Deutschland) angebaut wurden.

© Franz Stocker

potatoMETAbiome: ERA-NET SUSCROP: Untersuchungen des Kartoffel-Mikrobioms für die Entwicklung nachhaltiger Züchtungs- und Produktionsstrategien

Projektleitung

Gabriele Berg

Forschungseinrichtung

Technische Universität Graz

Projektnummer

101392

Projektlaufzeit

-

Finanzierungspartner

Bundesministerium für Nachhaltigkeit und Tourismus| Bundesministerium für Landwirtschaft, Regionen und Tourismus

Allgemeine Projektinformationen

Schlagwörter (deutsch)

Umweltbiotechnologie, Mikrobiom, Pflanzenschutz, Pflanzenzüchtung, Mikroorganismen

Titel, Abstract, Schlagwörter (englisch)

Titel (englisch)

Harnessing the potato-microbiome interactions for development of sustainable breeding and production strategies

Abstract (englisch)

PotatoMETAbiome will contribute to the development of sustainable forms of potato cropping, currently relying largely on high inputs of fertilizers, pesticides and water, by making use of the power and functional traits provided by the soil microbiome and improved plant – microbe interactions.
In order to achieve sustainable potato cropping, it is necessary to treat plants as metaorganism: holobionts with its associated microbiome.
We will therefore identify major plant genes that trigger the interaction with the soil microbiome and study their activation using a large number of potato lines with different susceptability levels towards (a)biotic stress. Further, we will assess key microbial strains that enhance potato stress response and nutrient aquisition.
The obtained results will be implemented into field trials to test their relevance under real conditions. The evaluation of socio-economic and environmental impacts of the developed strategies, including the potato genotypes selected for their optimal plant-microbiome interactions, and participation of stakeholders during the project will ensure the dissemination and implementation of the strategies, supporting the development of sustainable potato cropping across the major European countries.
Such an approach will have major implications for future breeding strategies and improve the resistance of potato to environmental
challenges associated with climate change. Specifically, the development of plants with optimal soil exploration (improved root biomass) and microbiome acquisition will alleviate the impact of abiotic stresses such as drought as well as biotic stresses caused by pathogens.
These characteristics will also improve resource-use efficiency of the plant through interactions with beneficial microbes. This increase in potato resilience will lead to a decline in the use of fertilizers and pesticides, thus reducing the environmental footprint of potato farmers and improving the health of consumers.

Projektziele

PotatoMETAbiome wird zur Entwicklung von nachhaltigen Methoden zum Anbau von Kartoffelpflanzen beitragen. Dieser ist derzeit auf hohe Einträge von Düngungsmitteln, Pestiziden und Wasser angewiesen. Solche Einträge können reduziert werden wenn man die funktionelle Komponente des natürlichen Boden-Mikrobioms und dessen Interaktionen mit der Wirtspflanze gezielt einsetzt. Um nachhaltige Methoden für den Kartoffelanbau zu entwickeln ist es wichtig Pflanzen als Metaorganismen zu betrachten (Holobionten die ein spezifisches Mikrobiom inkludieren). Im Rahmen dieses Projekts sollen die wichtigsten Gene der Kartoffelpflanze identifiziert werden, die für Interaktionen mit dem Bodenmikrobiom essentiell sind. Die Aktivierung dieser Gene soll anhand einer großen Anzahl an Kartoffelzüchtungslinien mit unterschiedlicher Anfälligkeit gegenüber abiotischen und biotischen Stressfaktoren untersucht werden. Zudem sollen wichtige mikrobielle Stämme untersucht werden, die Stressreaktionen der Kartoffelpflanze reduzieren und die Nährstoffzufuhr fördern.
Die Ziele des Projekts schließen auch die Verbesserung von gezielten Züchtungsstrategien mit ein. Mit diesen Strategien soll in Zukunft gezielt nach spezifischen Pflanzengenotypen selektiert werden können, die sich positiv auf die Pflanzengesundheit unter widrigen Bedingungen (Pflanzenpathogene und Nährstoffmangel) auswirken. Um diese Ziele zu erreichen, sollen neue Methoden des integrierten Pflanzenschutzes (Integrated Pest Management, IPM) entwickelt und getestet werden. Damit sollen Mikrobiom-kompatible Pflanzen entwickelt werden, die eine verbesserte Ressourceneffizienz und Resilienz aufweisen und zur Erhöhung der Nachhaltigkeit in der Landwirtschaft beitragen.

Praxisrelevanz

The project will contribute to a reduction in the environmental footprint of pesticide use in potato cropping by selecting efficient
biocontrol microbial consortia that improve the resistance of the selected genotypes to biotic stress(the fungal soil-borne pathogens
Verticillium dahliae [Verticillium wilt] & Rhizoctonia solani [black scurf]), thus supporting the development and exploitation of novel
integrated disease methods and practices. Moreover, by understanding the impact and fate of the introduced biocontrol in the soils and by
developing a new method of application that improves efficiency, it will generate knowledge that can be implemented in other biocontrol
programs. Furthermore, it will contribute to the development and exploitation of novel crop management approaches to improve potato
resistance to abiotic stress, by considering a meta-organism approach, which considers the interaction between plant and microbiome. It
will identify potential new biologicals (microorganisms that confer abiotic resistance) and provide a mechanistic understanding of their mode
of action. Finally, it will verify the abiotic stress resistance of the selected genotypes, generating key information to enhance predictive
potato breeding strategies and selection of new genotypes leading to new crop varieties that are more resistant to abiotic stresses. The project will
produce key information (genes, metabolites) on the resistance of the selected genotypes to both biotic and abiotic stress, thus
contributing to predictive breeding technologies and development of new potato genotypes selected for improvement in plant health,
protection and resistance.

Berichte

Abschlussbericht , 28.02.2023

Kurzfassung

Die Ergebnisse des Projekts „PotatoMETAbiome“ haben zur Entwicklung nachhaltiger Formen des Kartoffelanbaus beitragen, die derzeit weitgehend auf einem hohen Anteil an Düngemitteln, Pestiziden und Wasser beruhen, indem neue Einblicke in die Funktionen des Bodenmikrobioms und Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Mikroben gewonnen wurden. Um einen nachhaltigen Kartoffelanbau zu ermöglichen, ist es förderlich Pflanzen als Meta-Organismen zu betrachten, die vielerlei Interaktionen mit ihrem Mikrobiom eingehen. Im Projekt wurden neue Einblicke in die Interaktion der Kartoffelpflanze mit dem Bodenmikrobiom gewonnen und deren Rolle im Zusammenhang mit unterschiedlichen Kartoffelkultivaren mit unterschiedlicher Anfälligkeit für (a)biotischen Stress untersucht. Darüber hinaus wurden wichtige mikrobielle Stämme untersucht, welche sich positiv bei widrigen Verhältnissen auswirken. Die daraus resultierenden Ergebnisse wurden in Feldversuchen untersucht, um ihre Einsetzbarkeit unter realen Bedingungen zu verifizieren. Die gewonnenen Ergebnisse werden die Entwicklung eines nachhaltigen Kartoffelanbaus in den wichtigsten europäischen Anbaugebieten fördern. Dieser Ansatz könnte auch Auswirkungen auf künftige Züchtungsstrategien haben und die Widerstandsfähigkeit von Kartoffeln gegen Umweltprobleme im Zusammenhang mit dem Klimawandel verbessern. Insbesondere die Entwicklung von Pflanzen mit optimaler Bodenbearbeitung (verbesserte Wurzelbiomasse) und Mikrobiom-Akquirierung wird die Auswirkungen abiotischer Belastungen wie Trockenheit sowie biotischer Belastungen durch Krankheitserreger verringern. Zusätzlich verbessern diese Eigenschaften die Ressourcennutzungseffizienz der Pflanze durch Wechselwirkungen mit nützlichen Mikroben. Diese Verbesserung der Widerstandsfähigkeit der Kartoffeln wird zu einem Rückgang des Einsatzes von Düngemitteln und Pestiziden führen, wodurch der ökologische Fußabdruck der Kartoffelproduktion verringert werden könnte. Im abgeschlossenen Projekt wurden mikrobielle Konsortien mittels moderner Hochdurchsatzsequenzierungen von Pflanzenproben evaluiert um ihren Einsatz anschließend zu optimieren. Dazu wurden bioinformatische Analysen basierend auf neuesten Verfahren durchgeführt und die aus Feldversuchen erhaltenen Daten unter Verwendung von geeigneten Statistikverfahren korreliert. Daraus wurden Daten gewonnen, die dazu genutzt werden können um nachhaltige Anwendungen für den Kartoffelanbau weiter zu verbessern.

Berichtsdateien

101392_potatoMETAbiome_Abschlussbericht.pdf

Abstract (deutsch)

Die Ergebnisse des Projekts „PotatoMETAbiome“ haben zur Entwicklung nachhaltiger Formen des Kartoffelanbaus beitragen, die derzeit weitgehend auf einem hohen Anteil an Düngemitteln, Pestiziden und Wasser beruhen, indem neune Einblicke in die Funktionen des Bodenmikrobioms und Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Mikroben gewonnen wurden. Um einen nachhaltigen Kartoffelanbau zu ermöglichen, ist es förderlich Pflanzen als Meta-Organismen zu betrachten, die vielerlei Interaktionen mit ihrem Mikrobiom eingehen. Im Projekt wurden neue Einblicke in die Interaktion der Kartoffelpflanze mit dem Bodenmikrobiom gewonnen und deren Rolle im Zusammenhang mit unterschiedlichen Kartoffelkultivaren mit unterschiedlicher Anfälligkeit für (a)biotischen Stress untersucht. Darüber hinaus wurden wichtige mikrobielle Stämme untersucht, welche sich positiv bei widrigen Verhältnissen auswirken. Die daraus resultierenden Ergebnisse wurden in Feldversuchen untersucht, um ihre Einsetzbarkeit unter realen Bedingungen zu verifizieren. Die gewonnenen Ergebnisse werden die Entwicklung eines nachhaltigen Kartoffelanbaus in den wichtigsten europäischen Anbaugebieten fördern. Dieser Ansatz könnte auch Auswirkungen auf künftige Züchtungsstrategien haben und die Widerstandsfähigkeit von Kartoffeln gegen Umweltprobleme im Zusammenhang mit dem Klimawandel verbessern. Insbesondere die Entwicklung von Pflanzen mit optimaler Bodenbearbeitung (verbesserte Wurzelbiomasse) und Mikrobiom-Akquirierung wird die Auswirkungen abiotischer Belastungen wie Trockenheit sowie biotischer Belastungen durch Krankheitserreger verringern. Zusätzlich verbessern diese Eigenschaften die Ressourcennutzungseffizienz der Pflanze durch Wechselwirkungen mit nützlichen Mikroben. Diese Verbesserung der Widerstandsfähigkeit der Kartoffeln wird zu einem Rückgang des Einsatzes von Düngemitteln und Pestiziden führen, wodurch der ökologische Fußabdruck der Kartoffelproduktion verringert werden könnte. Im abgeschlossenen Projekt wurden mikrobielle Konsortien mittels moderner Hochdurchsatzsequenzierungen von Pflanzenproben evaluieret um ihren Einsatz anschließend zu optimieren. Dazu wurden bioinformatische Analysen basierend auf neuesten Verfahren durchgeführt und die aus Feldversuchen erhaltenen Daten unter Verwendung von geeigneten Statistikverfahren korreliert. Daraus wurden Daten gewonnen, die dazu genutzt werden können um nachhaltige Anwendungen für den Kartoffelanbau weiter zu verbessern.

Abstract (englisch)

The results of the PotatoMETAbiome project have contributed to the development of sustainable forms of potato cultivation, currently largely based on high levels of fertilizers, pesticides and water, by providing new insights into the functions of the soil microbiome and plant-microbe interactions. To enable sustainable potato production, it is beneficial to consider plants as meta-organisms that engage in many interactions with their microbiome. In this project, new insights into the interactions of the potato plant with the soil microbiome were obtained and their role in the context of different potato cultivars with different susceptibility to (a)biotic stress was investigated. In addition, important microbial strains that have a positive effect in adverse conditions were investigated. The resulting findings were validated in field trials to verify their applicability under production conditions. The results obtained will promote the development of sustainable potato cultivation in the main European growing areas. This approach could also have implications for future breeding strategies and improve potato resilience to environmental problems associated with climate change. In particular, developing plants with optimal tillage (improved root biomass) and microbiome acquisition will reduce the impact of abiotic stresses such as drought, as well as biotic stresses from pathogens. In addition, these traits could improve the resource use efficiency of the plant through interactions with beneficial microbes. This improvement in potato resilience will lead to a decrease in fertilizer and pesticide use, which could reduce the environmental footprint of potato production. In the completed project, microbial consortia were evaluated using modern high-throughput sequencing of plant samples to subsequently optimize their use. For this purpose, bioinformatic analyses based on state-of-the-art methods were performed and data obtained from field trials were correlated using appropriate statistical methods. From this, data were obtained that can be used to further improve sustainable applications for potato cultivation.

Autor/innen

Kristina Michl, Franz Stocker, Tomislav Cernava & Gabriele Berg