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SIMKLIMA

Laufzeit:

01.09.2018 - 31.10.2021

Projektleitung:

Benno Kleinhenz

Ansprechpartner:

Peter Juroszek

Weitere Informationen zur Forschungsbegleitung für COP in der Landwirtschaft finden sie unter: unter-2-grad

Der prognostizierte Klimawandel und seine mittel-und langfristigen potentiellen Auswirkungen auf wichtige Pflanzenkrankheiten und auf die Fungizidwirksamkeit im Ackerbau in Deutschland

 

Projektziele und Arbeitsplan (Teilprojekte TP1-TP5)

 

Das Projekt SIMKLIMA wird von drei Partnern (ZEPP, Syngenta, Hochschule Osnabrück) gemeinschaftlich durchgeführt, wobei die ZEPP die Projektleitung und Koordination wahrnimmt. Im Rahmen von SIMKLIMA werden zum ersten Mal für das gesamte Bundesgebiet Simulationen zum prognostizierten Klimawandel und seine möglichen Auswirkungen auf Pflanzenkrankheiten im Ackerbau erstellt (TP3, ZEPP).
Beispielsweise werden die Infektionswahrscheinlichkeit sowie das zeitliche und räumliche Erstauftreten von Pflanzenkrankheiten simuliert (Zeitraum 1950 bis 2100). Die Kulturpflanzenentwicklung wird unter Berücksichtigung der Saat- bzw. Pflanzzeitpunkte simuliert, um die Koinzidenz zu berücksichtigen. Ergänzend dazu wird eine weltweite Literaturrecherche zum Thema ’Klimawandel und seine möglichen Auswirkungen auf Pflanzenkrankheiten im Ackerbau’ durchgeführt (TP1a, ZEPP), um die hier auf Bundesebene erzielten Ergebnisse mit internationalen Ergebnissen vergleichen zu können. Darüber hinaus wird der potentielle Einfluss des Klimawandels auf die Fungizidwirksamkeit im Ackerbau theoretisch (TP1b, ZEPP) und experimentell (TP2, Syngenta) untersucht.
Das Unternehmen Syngenta führt in-vitro und in-planta Experimente unter kontrollierten Bedingungen durch, um den Einfluss von steigender Lufttemperatur und steigender CO2-Luftkonzentration auf die Pathogenentwicklung sowie auf den Wirkungsgrad ausgewählter Fungizide zu untersuchen. In diesen Experimenten werden zwei Wirt-Pathogen Kombinationen exemplarisch untersucht: (1) Kraut- und Knollenfäule an Kartoffel und (2) Septoria-Blattflecken an Weizen. Auf Basis der Ergebnisse werden Risikobewertungen abgeleitet (TP4, ZEPP, Hochschule Osnabrück, Syngenta) und geeignete Minimierungs- und Anpassungsstrategien im Pflanzenschutz für Gerste, Roggen, Triticale, Weizen, Kartoffel, Lupine, Raps und Zuckerrübe vorgeschlagen (TP5, Hochschule Osnabrück).

 

Vorläufige Ergebnisse und Teilprojekte

 

TP1 Literaturrecherche

Im Rahmen von TP1 wurden mehr als 1000 Artikel zu relevanten Themen analysiert und archiviert. Direkt zum Thema ‘Pflanzenkrankheit und Klimawandel‘ sind es etwa 500 Artikel. Diese Kategorie enthält mehr als 100 Reviewartikel, die bereits analysiert und zusammengefasst wurden (Juroszek et al. 2020). In dieser Kategorie gibt es auch etwa 80 Artikel zum Thema ‘Simulationen des zukünftigen Risikos verschiedener Pflanzenkrankheiten‘, wobei die meisten Simulation für Brasilien und Europa für oberirdische Pilzkrankheiten durchgeführt wurden. Hervorzuheben ist, dass die Literaturergebnisse dieser Simulationen für Europa (z.B. Deutschland, Frankreich, Polen) alle darin übereinstimmen, dass sich das Braunrostrisiko im Weizen mittel- (2050) und langfristig (2100) höchstwahrscheinlich erhöhen wird (Miedaner & Juroszek, 2021b). Höchstwahrscheinlich wird sich auch das Schadinsektenrisiko in Zukunft generell erhöhen (IPPC 2021). Dadurch könnten sich wiederum die Risiken zahlreicher Pflanzenkrankheiten erhöhen, weil es positive Interaktionen zwischen diesen beiden Schaderregergruppen gibt. Beispielsweise können Schadinsekten (Vektoren) zahlreiche Pflanzenpathogene (z.B. Viren, Bakterien und Phytoplasmen) übertragen. Sie können auch durch ihre Fraßschäden zahlreiche Eintrittspforten für Pathogene (z.B. Fusarium und Aspergillus Arten) schaffen (Miedaner & Juroszek 2021a).

TP2 Laborexperimente zur Fungzidwirksamkeit

Der Klimawandel wird die Ansprüche an die Gesunderhaltung von Kulturpflanzen im Feld beeinflussen. Dennoch gibt es in der Literatur nur sehr wenig experimentelle Studien zum Einfluss der Temperatur auf Wirkungsgrad und –dauer von Fungiziden. Das deutet darauf hin, dass eine potenzielle Temperatursensitivität der Fungizidwirksamkeit bisher kaum beachtet wurde, weder in der Praxis noch in der Forschung. Deshalb wurden im Rahmen von TP2 in den Laboratorien von Syngenta (Forschungszentrum Stein, Schweiz) unter kontrollierten Bedingungen mehrere Experimente zum Einfluss von bis zu sechs verschiedenen Lufttemperaturszenarien auf den Wirkungsgrad verschiedener Fungizide gegen Zymoseptoria tritici (Erreger der Septoria-Blattflecken) an Weizen durchgeführt. Steigende Temperaturen (z.B. 24°C vs. 16°C) verkürzten die Latenzzeit und erhöhten bzw. beschleunigten die Befallsprogression von Septoria-Blattflecken. Vermutlich hat sich dadurch bei einem Teil der getesteten fungiziden Wirkstoffe der Wirkungsgrad signifikant reduziert (in einem speziellen Fall um bis zu 30%).
Beispielsweise deuten die Ergebnisse in der Literatur (TP1b) darauf hin, dass der Wirkungsgrad eines Fungizids schlechter sein kann, wenn das Pathogen optimale Temperaturbedingungen für sein Wachstum vorfindet. Allerdings sind auch andere Erklärungen möglich. Beispielsweise könnten die Zielorte der Wirkstoffe temperatursensitiv sein. Eine andere Veröffentlichung in der Literatur deutet darauf hin, dass auch die Zeit bzw. Wirkungsdauer eine Rolle spielen kann. In dieser Veröffentlichung hat eine vergleichsweise hohe Temperatur erst zwei Wochen nach der Applikation dazu geführt, dass der Wirkungsgrad bei 30°C im Vergleich zu 20°C reduziert war. Zudem gab es konzentrations- und wirkstoffabhängige Unterschiede, sowohl in-vitro (Fungizidtests an Sporen in Mikrotiterplatten, reine Wirkstoffe getestet) als auch in-planta (Fungizidtests an Weizenkeimpflanzen in Klimakammern, formulierte Produkte getestet).
In den in-planta Experimenten hatten auch die zwei getesteten Weizensorten (Septoria anfällig vs. resistent) einen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Fungizide. Die resistente Sorte unterstützte bzw. erhöhte den Wirkungsgrad der getesteten Fungizide bei steigender Temperatur, was auch darauf hindeutet, dass die Resistenzausprägung unter höheren Temperaturen (z.B. 24°C vs. 16°C) erhalten blieb. Demnach gibt es viele Interaktionen, die bei der Interpretation der Ergebnisse berücksichtigt werden müssen. Die hier getroffenen Aussagen stellen daher nur einen Zwischenstand dar. Die bisherigen Ergebnisse werden durch weitere Experimente und Analysen überprüft. Jedoch beeinflussen nicht nur die Wetterbedingungen (z.B. Temperatur, Feuchtigkeit), Pathogen- und Kulturpflanzenwachstum die Wirksamkeit von Fungiziden, sondern auch die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Wirkstoffs sowie die Formulierung des fertigen Produkts. Idealerweise sollten zukünftig im Feld unter zunehmend variablen und höheren Temperaturbedingungen vor allem Fungizide (Produkte) eingesetzt werden, deren Wirksamkeit nicht oder nur wenig von der Temperatur beeinflusst werden.

TP3 Simulation der Befallsentwicklung

Der Klimawandel wird Pflanzenkrankheiten im Ackerbau (z.B. zeitliches und räumliches Erstauftreten, Infektionsrisiko, Befallshäufigkeit, Befallstärke) beeinflussen (Juroszek et al. 2020). Für die Abschätzung zukünftiger Risiken haben sich Computersimulationen als geeignet herausgestellt. Im Rahmen von TP3 wurden solche Simulationen zum ersten Mal für ganz Deutschland durchgeführt. Die ZEPP-Prognosemodelle für Pflanzenkrankheiten (z.B. Erstauftreten im Jahr, Infektionswahrscheinlichkeit) und Kulturpflanzenentwicklung (Ontogenese) wurden von vier verschiedenen Klimamodellen angetrieben, um eine ausreichend hohe Variabilität (Bandbreite) der Klimaprojektionen zu garantieren. Jedes der vier empfohlenen Klimamodelle lieferte zwischen 1950 und 2100 durchgängige Projektionen, so dass zwei historische (1951-1980, 1981-2010) und drei zukünftige (2011-2040, 2041-2070, 2071-2100) Zeiträume von jeweils 30 Jahren simuliert und dargestellt werden konnten. Deutschland wurde in Anlehnung an Dachbrodt-Saaydeh et al. (2019) in sieben Regionen aufgeteilt, um die Simulationsergebnisse regional darstellen zu können.
Berücksichtigt wurden jeweils verschiedene Saat- bzw. Pflanzzeitpunkte, um Empfehlungen über potentielle Anpassungsmöglichkeiten zu erlauben. Zum Beispiel wird die Zuckerrübenblattbildung schneller erfolgen und Cercospora-Blattflecken früher auftreten als heutzutage. Demnach wird die Pflanze beim Erstbefall weniger Blätter haben (jünger sein) und möglicherweise empfindlicher auf die Krankheit reagieren (TP4). Mögliche Anpassungs- und Minimierungsmaßnahmen (TP5) sind: (1) die Kontrolle der Bestände muss früher erfolgen als heutzutage, um rechtzeitig regulierend eingreifen zu können, (2) höchstwahrscheinlich muss die erste Fungizidapplikation früher durchgeführt werden, (3) eventuell müssen Fungizide häufiger appliziert werden und (4) resistente oder tolerante Sorten müssen gezüchtet und auch tatsächlich großflächig angebaut werden, um das Krankheitsrisiko zu minimieren.

 

Vorläufiges Fazit

 

Der Klimawandel wird die Ansprüche an die Gesunderhaltung von Kulturpflanzen im Feld zunehmend erhöhen. Das Risiko bestimmter Krankheiten wird sich durch die Erwärmung erhöhen, laut Literaturrecherche (TP1a) trifft dies auf Braunrost und laut Experimente (TP2) auf Septoria-Blattflecken im Weizen zu. Die Anforderungen an und die Bedeutung von Pflanzenschutz, unabhängig ob biologisch oder chemisch, werden sich unter zukünftigen Klimaszenarien in Deutschland erhöhen. Anpassungen im Pflanzenschutz werden notwendig werden, um zielgerichtet und frühzeitig auf solche Änderungen reagieren zu können. Beispielsweise kann die Erforschung fungizider Wirkstoffe im Labor auf die veränderte Krankheits- und Umweltsituation im Feld ausgerichtet werden. Die zunehmende ‘Schnelligkeit‘ der ablaufenden biologischen Prozesse durch die Erderwärmung und die stark variierenden Umweltbedingungen (einschließlich Extremwetterereignisse) werden die Anforderungen an Berater, Landwirte und an die Produktionsmittelzuverlässigkeit weiter erhöhen.

 

Veröffentlichungen mit SIMKLIMA Beteiligung (Beispiele)

 

Juroszek P, Racca P, Link S, Farhumand J, Kleinhenz B (2020) Overview on the review articles published during the past 30 years relating to the potential climate change effects on plant pathogens and crop disease risks. Plant Pathology 69, 179-193.

https://bsppjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/ppa.13119

IPPC Secretariat (2021) Scientific review of the impact of climate change on plant pests - A global challenge to prevent and mitigate plant pest risks in agriculture, forestry and ecosystems. Rome. FAO on behalf of the IPPC Secretariat (https://doi.org/10.4060/cb4769en). Drafting authors: Maria Lodovica Gullino (Italy, lead author), Ramon Albajes (Spain), Ibrahim Al-Jboory (Iraq), Francislene Angelotti (Brasil), Subrata Chakraborty (Australia), Karen A. Garrett (USA), Brett Phillip Hurley (South Africa), Peter Juroszek (Germany), Khaled Makkouk (Lebanon), Xubin Pan (China), Tannecia Stephenson (Jamaica).

Miedaner T & Juroszek P (2021a) Global warming and increasing maize cultivation demand comprehensive efforts in disease and insect resistance breeding in north-western Europe. Plant Pathology 70, 1032-1046.

https://bsppjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/ppa.13365

Miedaner T & Juroszek P (2021b) Climate change will influence disease resistance breeding in wheat in Northwestern Europe. Theoretical and Applied Genetics 134, 1771-1785.

https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03807-0

 

Förderer und Projektpartner