Verbundprojekt BiodivERsA: Innovative biotechnologische Strategien zur Verbesserung der Trockentoleranz und bodenmikrobiologischer Diversität bei Bäumen in der Wiederaufforstung (RESTORE)

Abstract

Das RESTORE-Projekt verfolgte einen multidisziplinären und länderübergreifenden Ansatz zur Verbesserung der Waldbewirtschaftung unter dem Klimawandel und konzentrierte sich dabei auf die Reaktionen der Bodenmikrobiota und der Baumsämlinge auf Trockenheit, mikrobielle Anwendungen, die Entwicklung von Biomaterialien und die Einbeziehung von Interessengruppen. Die Analyse von Boden- und Wurzelmikrobiomen in drei Waldtypen - dem saisonalen halb-laubabwerfenden atlantischen Wald in Brasilien, dem laubabwerfenden mediterranen Eichenwald in Frankreich und dem gemäßigten Mischwald in Deutschland - brachte eine große Vielfalt und nuancierte Reaktionen auf die Umwelt zutage. Diese Erkenntnisse über das Mikrobiom führten zu einer gezielten Bioprospektion, die mehr als 2.800 Bakterien- und Pilzisolate hervorbrachte, die für die anschließende Stammselektion phylogenetisch und funktionell charakterisiert wurden. Die Mikrobiom- und Screening-Daten ermöglichten die Auswahl von Stämmen mit Eigenschaften, die mit der Förderung des Pflanzenwachstums und der Stresstoleranz in Zusammenhang stehen. Diese wurden an Baumsetzlingen unter Verwendung verschiedener Inokulations- und Trockenheitsprotokolle getestet. Zu diesem Zweck wurden die Reaktionen von Sämlingen von fast 40 Baumarten auf Trockenheit durch Auswertung morphophysiologischer Merkmale untersucht. Parallel dazu wurden innovative Materialien auf natürlicher Basis entwickelt, um diese Mikroorganismen und Pflanzenwachstumsregulatoren zu verabreichen, z. B. biologisch abbaubare Materialien (Verbundschäume, Hydrogele und Keimschalen), die aus agroindustriellen Rückständen hergestellt werden. Stickoxid-freisetzende Chitosan-Nanopartikel, mit Gibberellinsäure beladene Alginat/Chitosan-Nanopartikel und Abscisinsäure enthaltende Lignin-Zein-Nanopartikel wurden ebenfalls als wirksame Mittel zur Verbesserung des Pflanzenwachstums, der Entwicklung und/oder der Stressreaktion getestet. Feldversuche und eine Kosten-Nutzen-Analyse bestätigten, dass Stickoxid freisetzende Nanopartikel die Kohlenstoffaufnahme verbessern und die Sterblichkeit von Sämlingen bei der Wiederaufforstung verringern können. Das Projekt profitierte von der Beteiligung verschiedener Interessengruppen, vor allem von Fachleuten, die Wiederherstellungsprojekte planen, durchführen und verwalten. In Brasilien wurde nach einer Bestandsaufnahme dieser vorrangigen Interessengruppen eine Umfrage durchgeführt, um die Akzeptanz naturbasierter Lösungen im Zusammenhang mit dem Projekt sowie die Bedürfnisse und Herausforderungen von Baumschulen, die einheimische Setzlinge produzieren, zu ermitteln. Darüber hinaus wurden die allgemeine Öffentlichkeit und die wissenschaftliche Gemeinschaft durch verschiedene Maßnahmen zur Verbreitung der Projektthemen und -ergebnisse erreicht. Die im Rahmen von RESTORE durchgeführten Arbeiten trugen somit nicht nur zum grundlegenden Wissen über die Mechanismen der Dürrereaktionen von Bäumen und der Bodenmikrobiota bei, sondern auch zur Verbesserung von Aufforstungsprogrammen durch den Einsatz von naturbasierten Lösungen, die erhebliche ökologische, wirtschaftliche und soziale Auswirkungen haben. The RESTORE project adopted a multidisciplinary and transnational approach to improve forest restoration under climate change, focusing on the responses of soil microbiota and tree seedlings to drought, microbial applications, the development of biomaterials, and stakeholder engagement. The analysis of soil and root microbiomes across three forest types - Brazil’s Seasonal Semideciduous Atlantic Forest, France’s Deciduous Mediterranean Oak Forest, and Germany’s Mesic Temperate Forest - uncovered rich diversity and nuanced environmental responses. These microbiome insights drove targeted bio-prospecting, resulting in over 2,800 bacterial and fungal isolates that were phylogenetically and functionally characterized for subsequent strain selection. The microbiome and screening data allowed the selection of strains with traits related to plant growth promotion and stress tolerance, which were tested on tree seedlings using different inoculation and drought-imposing protocols. For this, the responses of seedlings of almost 40 tree species to drought were screened by evaluating morphophysiological traits. In parallel, innovative nature-based materials were developed to deliver these microorganisms and plant growth regulators, such as biodegradable materials (composite foams, hydrogels and germination trays) made from agro-industrial residues. Nitric oxide-releasing chitosan nanoparticles, gibberellic acid-loaded alginate/chitosan nanoparticles and abscisic acid-containing lignin-zein nanoparticles have also been tested as effective tools to improve plant growth, development and/or stress responses. Field trials and a cost-benefit analysis confirmed the viability of nitric oxide-releasing nanoparticles in enhancing carbon assimilation and reducing seedling mortality in forest restoration efforts. The project benefited from the involvement of various stakeholders, mainly restoration practitioners who plan, implement and manage restoration projects. In Brazil, after mapping these priority stakeholders, a survey was conducted to assess the acceptance of nature-based solutions related to the project, as well as the needs and challenges faced by nurseries producing native seedlings. In addition, the general public and the scientific community were reached through various dissemination activities of the project thematic and results. Thus, in addition to contributing to the basic knowledge of the mechanisms of drought responses of trees and soil microbiota, the work carried out in RESTORE contributed to the improvement of reforestation programs through the use of nature-based solutions, with significant environmental, economic and social impacts.