4.06.2020 07:34
Quelle: schweizerbauer.ch - mgt/blu
Forschung
Düngerfabrik in Wurzeln als Chance
n ihren Wurzeln produzieren Soja und Klee mittels Bakterien Ammonium. Das ist schon länger bekannt. Nun konnten Wissenschaftler erstmals den Wirkungsmechanismus im Detail beschreiben. Das könnte nun helfen, mit Biotechnologie die Landwirtschaft nachhaltiger zu gestalten.

Pflanzen benötigen Stickstoff in Form von Ammonium, um wachsen zu können. Bei sehr vielen Kulturpflanzen müssen Landwirte dieses Ammonium als Dünger aufs Feld führen. Dessen Herstellung ist energieintensiv und teuer, und bei der heutigen Produktionsweise wird viel CO2 freigesetzt.

Zusammenspiel komplexer

Einige wenige Ackerpflanzen besorgen sich den Ammoniumnachschub allerdings selbst: In den Wurzeln von Bohnen, Erbsen, Klee und anderen Hülsenfrüchtlern leben Bakterien, die den Stickstoff aus der Luft in Ammonium umwandeln können. Die Pflanzen und die sogenannten Knöllchenbakterien profitieren beide, und bisher war die wissenschaftliche Sicht auf diese Symbiose recht simpel: Die Pflanze bezieht von den Bakterien Ammonium, und die Bakterien erhalten im Gegenzug von der Pflanze kohlenstoffreiche Karbonsäuremoleküle.

ETH-Forschende unter der Leitung von Beat Christen, Professor für experimentelle Systembiologie, und Matthias Christen, Wissenschaftler am Institut für molekulare Systembiologie, konnten nun zeigen, dass das Zusammenspiel von Pflanze und Bakterien komplexer ist: Die Bakterien beziehen von der Pflanze neben dem Kohlenstoff auch die stickstoffreiche Aminosäure Arginin.

Abhängigkeit der Landwirtschaft verringern


«Obschon die Stickstofffixierung der Knöllchenbakterien seit vielen Jahrzehnten untersucht wird, war das Wissen unvollständig», erklärt Beat Christen in einem Beitrag in den ETH News. «Unsere neuen Erkenntnisse werden es ermöglichen, die Abhängigkeit der Landwirtschaft vom Ammoniumdünger zu verringern und damit die Landwirtschaft nachhaltiger zu gestalten.»

Die Forschenden untersuchten und entschlüsselten die Stoffwechselwege von Knöllchenbakterien, die mit Klee und Soja zusammenleben. Die Erkenntnisse liefern eine neue Sicht auf die Koexistenz von Pflanzen und diesen Bakterien. «Anders als häufig dargestellt, ist diese Symbiose nicht geprägt von einem freiwilligen Geben und Nehmen. Vielmehr nutzen sich die beiden Partner aus, wo es nur geht», sagt Christen.

Ammonium ist Abfallprodukt

Die Pflanzen versuchen den Bakterien den Sauerstoff abzudrehen. Sie setzen einem sauren Umfeld aus. Die Bakterien rackern sich ab, um in diesem unwirtlichen Milieu zu überleben. Die Aminosäure Arginin nutzen die Bakterien, weil sie dank dieser auf einen Stoffwechsel umstellen können, für den sie nur wenig Sauerstoff benötigen.

Um die saure Umgebung zu neutralisieren, übertragen die Mikroben sauermachende Protonen auf Stickstoffmoleküle aus der Luft. Dadurch entsteht Ammonium, welches sie sich vom Hals schaffen, indem sie es aus der Bakterienzelle schleusen und somit an die Pflanze geben. «Das für die Pflanze so wertvolle Ammonium ist für die Bakterien also bloss ein Abfallprodukt aus ihrem Überlebenskampf», sagt Beat Christen.

Gene in Bakterien übertragen

Das neue Wissen wird man gemäss den Forschern in der Landwirtschaft und in der Biotechnologie nutzen können, um die bakterielle Stickstofffixierung auf Kulturpflanzen, die keine Hülsenfrüchtler sind, zu übertragen, also zum Beispiel auf Weizen, Mais oder Reis.

Es sei denkbar, alle für den Stoffwechselweg nötigen Gene mit biotechnologischen Verfahren direkt in die Kulturpflanzen einzufügen, heisst es im ETH-Beitrag weiter. Eine andere Möglichkeit ist es, diese Gene in Bakterien zu übertragen, die mit den Wurzeln von Weizen oder Mais wechselwirken. Diese Bakterien wandeln derzeit keinen Stickstoff aus der Luft in Ammonium um. Biotechnologisch könnte man ihnen dazu verhelfen. Diesen Ansatz werden auch die ETH-Forschenden nun weiterverfolgen.

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