Mikroskopiske helte: Bakterier kan redde planter fra svampe og infektioner

Verdens landbrug er under pres, og Danmarks er selvfølgelig ingen undtagelse. Landbruget står nemlig overfor mange af de samme globale udfordringer som alt andet natur: ekstremt vejr, herunder tørke, høje temperaturer og oversvømmelser.

Samtidig skaber det moderne og især konventionelle landbrug problemer for både sig selv og sine omgivelser såsom kvælstofudledninger, der fører til stendøde fjorde, samt forurening med PFAS og sprøjtemidler i naturen.

Som mikrobiologer er vi derfor optagede af at finde løsninger og alternativer til de skadelige stoffer.

Vi forsker i bakterier og deres rolle i naturen. Vi interesserer os især for de stoffer, som bakterier kan producere i forskellige miljøer, eksempelvis i havet eller i jorden omkring planterødder.

I denne artikel dykker vi ned i den fascinerende verden af bakterier, der – hvis vi knækker koden – kan erstatte de ødelæggende sprøjtemidler og hjælpe os til et mindre forurenende og skadeligt landbrug.

Vi brugte 2,1 millioner kilo pesticider i 2022

Pesticider er kemiske stoffer, der bruges til at fjerne uønskede planter, svampe og insekter, særligt på marker, hvor vi producerer fødevarer.

Stofferne har hjulpet landbruget med at blive mere effektive og producere mere siden opfindelsen af kunstige pesticider under 2. Verdenskrig.

Men flere af disse stoffer har sidenhen vist sig at være skadelige for miljøet ved blandt andet at dræbe bier.

Alligevel er pesticider stadig en fast del af dansk landbrug, som strækker sig over 55 procent af Danmarks samlede areal .

Alene i 2022 blev der brugt 2,1 millioner kilo pesticider i Danmark, og landbruget står for langt størstedelen af forbruget.

Ikke alle pesticider er lige skadelige, og stofferne har forskellig evne til at sprede sig i jorden. Men forskere har dokumenteret, at nogle af dem kan sive ned til grundvandet.

Behovet for at undgå det store forbrug af pesticider er derfor stort og påtrængende, og derfor er alternative løsninger også kærkomne.

Når mikrober bekæmper mikrober

Og her kommer vores kollegaer (og vi selv) ind i billedet.

Danske forskere har i flere år nemlig undersøgt, hvordan bakterier kan bruges til at bekæmpe sygdomme hos planter – ligesom pesticider gør det, bare uden alle de negative bivirkninger.

Den praksis kaldes ‘biologisk kontrol’ eller ’biokontrol', og visionen er, at det skal være et alternativ til pesticider.

Bredt defineret så handler ‘biokontrol’ om at bekæmpe skadelige mikroorganismer eller sygdomsfremkaldende organismer ved hjælp af andre levende organismer – som for eksempel gavnlige bakterier, svampe eller insekter.

Helt grundlæggende drager biokontrol fordel af naturlige mekanismer, som man finder i naturen allerede.

Her foregår der konstant en usynlig krig mellem bakterier, svampe og virus, der konkurrerer om knappe ressourcer - og kampen foregår også i jorden omkring planternes rødder og på overfladen af deres blade.

Gennem millioner af års evolution har de udviklet avancerede måder at bekæmpe hinanden – en slags naturlige våbenarsenaler.

Hvor finder vi de rette bakterier?

De specifikke, underliggende mekanismer bag ‘biokontrol’ kan være komplekse og kan tage forskere flere år at gennemskue.

Den klassiske metode til at finde gode kandidater til biokontrol er for eksempel at isolere bakterier fra et sted i naturen, hvor der er mange forskellige arter.

For jo flere forskellige mikroorganismer der er, jo flere forskellige måder lever og spiser de på, ligesom de nedbryder forskellige ting og udskiller forskellige stoffer.

Det øger muligheden for at finde den rette bakterie.

Man kan eksempelvis tage junglejord eller noget skovbund med tilbage i laboratoriet og udvælge de bakterier, som ser ud til at hæmme væksten af andre skadelige organismer såsom svampesygdomme.

Tvekamp på petriskålen

Det helt typiske eksperiment er blot at gro de to mikroorganismer sammen på en petriskål med vækstmedie (en substans, der kan få mikroorganismer til at vokse) og så se, om de påvirker hinanden.

Forhåbentligt bekæmper den nye mikroorganisme den sygdomsfremkaldende.

Ofte er forskerne meget kræsne med, hvilken jord de bruger. Det meste jord i Danmark har været brugt til landbrug på et eller andet tidspunkt, og her er der ikke så stor diversitet i jorden.

Eksempelvis har vi på forskningscentret CeMiSt på DTU fundet en masse mikrober i jordprøver fra Dyrehaven. Området er nemlig såkaldt ’urdansk natur’, hvor jorden ikke har været dyrket eller brug til industri.

Generelt set er der en højere sandsynlighed for at finde mikrober med et bredere og mere sofistikeret våbenarsenal i økosystemer, hvor der er højere diversitet - man finder sådan set også bare flere forskellige mikrober i mere naturlige miljøer.

Hvede i krise? Streptomyces til undsætning

Forskere fra Kina har netop brugt sådanne isoleringsmetoder for at lede efter en bakterie, der kunne bruges som biokontrolbakterie.

De fandt bakterier af arten Streptomyces på rødderne af pæoner og viste i tests på hvedemarker, at bakterien kunne slå svampesygdommen gulrust ned.

Gulrust er et stigende problem for dyrkningen af hvede på globalt plan. Forskere fra Aarhus universitet har vist, at med stigende vintertemperaturer, grundet globale ændringer, så kan forekomsten af gulrust også stige herhjemme.

De kinesiske forskere prøvede både at påføre levende materiale fra Streptomyces-bakterien eller blot væsken fra bakteriekulturen på hvedestrå fyldt med gulrust svampen, og begge dele kunne slå sygdommen ned.

Det lyder jo meget positivt og lovende. Sagen er bare, at vi endnu ikke præcist ved, hvilke mekanismer Streptomyces gør brug af for at få svampesygdommen til at forsvinde fra hvedeplanterne.

Hvorfor kan Streptomyces bekæmpe gulrust?

Streptomyces-arten har højst sandsynligt flere forskellige egenskaber, der kan bruges til at bekæmpe gulrust-svampen.

Den udskiller en række nedbrydende enzymer, der nok kan ødelægge svampesporerne (svampens svar på et frø eller æg) samt en række forskellige små molekyler, der kan punktere svampens celler.

Sidst, men ikke mindst, mener forskerne bag det kinesiske studie, at Streptomyces aktiverer plantens iboende immunforsvar, som svampen normalt ville undgå eller camouflere sig imod.

De underliggende mekanismer bag denne slags biokontrol er altså komplicerede og har mange facetter, hvilket også gør dem udfordrende at undersøge.

Selv hvis vi ikke helt forstår, hvorfor Streptomyces kan mindske sygdommens skadevirkning, så giver den her slags studier os et springbræt til en dybere forståelse af bakterien - noget, som helt sikkert også gavner os forskere - og ikke kun inden for biokontrol, men også mikrobiologien som helhed.

Bakterier på jagt i hvedemarkerne

Streptomyces er dog ikke hvedemarkernes eneste håb. Svampespisende bakterier har også vist sig at kunne hjælpe os med at beskytte hvede mod ødelæggende plantesygdomme.

I et nyligt schweizisk studie, har forskerne brugt en ’rovbakterie’ af arten Myxococcus, der kan bekæmpe sygdommen hvedegråplet - den svamp, der forvolder allermest skade på produktionen af hvede i Europa.

Forskerne har vist, at hvis man påfører Myxococcus på svampeinficerede hvedestrå, så kan den simpelthen tvinge sygdommen ned.

Det sker højst sandsynligt ved, at Myxococcus ’går på jagt efter’ og nedbryder svampens celler.

Det er et ganske velkendt fænomen fra andre studier af Myxococcus-bakterier, hvor man i mikroskop faktisk kan se bakterierne ’jage’ deres ’bytte’ i noget, forskerne kalder ’ulvekobbel-lignende jagt’ (eng.: wolfpack-like hunting).

Bakterieceller opfører sig (i forskernes øjne) som et kobbel ulve, der samarbejder for at ’nedlægge’ deres bytte og så ’spiser’ det med enzymer.

Mens det schweiziske studie demonstrerer, hvordan bakterier kan bruges til biokontrol i hvedeproduktion, arbejder nogle af vores kollegaer på DTU på at udvide vores forståelse af bakteriers potentiale til at beskytte andre afgrøder mod sygdomme.

Ny dansk forskning skal styrke tomatplanternes beskyttelse

Vores kollegaer fra Bioengineering instituttet på DTU modtog finansiering fra Danmarks Frie Forskningsfond og Novo Nordisk Fonden i 2024 til to forskningsprojekter indenfor bakteriebaseret biokontrol:

• Det ene projekt undersøger, hvordan en kombination af forskellige jordbakteriearter kan bruges til at bekæmpe plantesygdomme og styrke tomatplanters modstandsdygtighed over for sygdomsfremkaldende bakterier.
• Det andet projekt fokuserer på at identificere specifikke enzymer, der kan hæmme udviklingen af plantesygdommen ’pletråd’, som forårsages af bakterien Pseudomonas syringae.

Det er en bakterie, som hovedsageligt angriber tomatplanter, men andre planter som agurk, peberfrugt og enkelte frugttræer kan også angribes.

Biokontrol har stadig svært ved at konkurrere med pesticider

På trods årtiers forskning i biokontrol er det endnu ikke blevet almindeligt at anvende det på vores breddegrader, men potentialet er stort.

For eksempel er der i USA siden 1960’erne blevet godkendt 107 organismer, der har de rette egenskaber til at blive brugt til biokontrol i landbruget. Der er altså kommerciel interesse i den alternative behandling, men pris, optimering af produktionen og regler gør det svært for biokontrol at konkurrere med de langt billigere kemiske pesticider.

Dog burde interessen stadig være langt højere, end hvad den er - for udover at bekæmpe plantesygdomme, så har mange af de bakterier, der kan bruges til biokontrol, andre gavnlige virkninger på planternes ve og vel.

Bakterierne bekæmper ikke kun sygdomme

De kan blandt andet stimulere planten til at skyde flere rødder, hvilket både gør optaget af næringsstoffer og vand mere effektivt og gør plantens greb i jorden mere robust.

De kan også danne en slimet biofilm, som holder bedre på vandet omkring rødderne, så de ikke tørrer så nemt ud.

Altsammen ting, som kan hjælpe planterne til at blive modstandsdygtige mod klimaforandringer. Altså får man noget ekstra med oveni hatten ved brug af biokontrol frem for pesticider.

Med andre ord: biokontrol er ikke bare et alternativ til pesticider – det kan også være en del af løsningen på nogle af de største udfordringer, landbruget står overfor.

Spørgsmålet er derfor ikke, om vi skal investere mere i biokontrol – men hvordan vi gør det klogest og hurtigst muligt.