Bakterien helfen Pflanzen, besser zu wachsen

Jeder Schüler der dritten Klasse weiß, dass Pflanzen über ihre Wurzeln Nährstoffe aus dem Boden aufnehmen. Die Tatsache, dass sie auch Substanzen in den Boden abgeben, ist wahrscheinlich weniger bekannt. Und das scheint das Leben von Pflanzen viel einfacher zu machen.

Zumindest ist das die Schlussfolgerung dieser Studie. Die teilnehmenden Forscher untersuchten verschiedene Maissorten, die sich im Ertrag erheblich unterscheiden. Auf ihrer Suche nach der Ursache stießen sie auf ein Enzym, die Flavon-Synthase 2. „Die von uns untersuchte hochrentierliche Inzuchtlinie 787 enthält große Mengen dieses Enzyms in ihren Wurzeln“, sagt Dr. Peng Yu vom ‚Institute for Crop Science Resource Conservation (INRES) an der Universität Bonn. „Mit diesem Enzym werden bestimmte Moleküle der Flavonoidgruppe gebildet und in den Boden freigesetzt.“

Flavonoide geben Blumen und Früchten ihre Farbe. Im Boden erfüllen sie jedoch eine andere Funktion: Sie sorgen dafür, dass sich um die Wurzeln sehr spezifische Bakterien ansammeln. Und diese Mikroben wiederum bewirken, dass sich an diesen Wurzeln mehr Seitenäste bilden, die als Seitenwurzeln bezeichnet werden. „Dadurch kann die Maispflanze mehr Stickstoff aus der Umwelt aufnehmen“, erklärt Professor Frank Hochholdinger vom Institut für Pflanzenwissenschaften und Ressourcenschonung (INRES). „Dies bedeutet, dass die Pflanze schneller wächst, insbesondere wenn die Stickstoffreserven knapp sind.“

Forscher konnten durch Experimente zeigen, wie gut es funktioniert. Dazu verwendeten sie eine Vielzahl von Mais mit der Abkürzung LH93, die normalerweise eher verkümmerte Pflanzen hervorbringt. Dies änderte sich jedoch, als sie diese Sorte in Böden pflanzten, in denen die Hochleistungslinie 787 zuvor gewachsen war: LH93 wuchs dann viel besser. Der Effekt ließ nach, als Botaniker den Boden vor dem Umtopfen sterilisierten. Dies zeigt, dass die angereicherten Bakterien tatsächlich für das Turbowachstum verantwortlich sind, da sie während der Sterilisation abgetötet wurden.

In einem weiteren Experiment konnten die Forscher nachweisen, dass Mikroorganismen tatsächlich das Wachstum von Seitenwurzeln fördern. Hier verwendeten sie eine Vielzahl von Mais, die aufgrund von Mutationen keine Seitenwurzeln bilden können. Als sie jedoch den Boden mit den Bakterien ergänzten, begannen sich die Wurzeln der Mutante zu verzweigen. Es ist noch nicht klar, wie dieser Effekt auftritt. Darüber hinaus widerstand Mais mit mikrobieller Unterstützung dem Stickstoffmangel viel besser.

Stickstoff ist äußerst wichtig für das Pflanzenwachstum – so sehr, dass die Landwirte seine Menge im Boden durch Ausbringen von Düngemitteln künstlich erhöhen. Ein Teil des Düngers wird jedoch mit dem Regen von den Feldern in die Bäche gespült oder gelangt ins Grundwasser. Es kann auch als Stickoxide oder Ammonium in die Atmosphäre gelangen und dort zum Treibhauseffekt beitragen. Die Herstellung von Stickstoffdüngern erfordert ebenfalls viel Energie. „Wenn wir Pflanzen auswählen, die mithilfe von Bakterien ihren Stickstoffverbrauch verbessern können, können wir möglicherweise die Umweltverschmutzung erheblich reduzieren“, hofft Yu.

Die Studie zeigt, dass Pflanzen die Bedingungen des Bodens, in dem sie wachsen, so gestalten, dass sie letztendlich davon profitieren. Dieser Aspekt wurde jedoch in der Zucht bisher vernachlässigt. Dr. Peng Yu fügt hinzu, dass im Allgemeinen viele Wechselwirkungen des Wurzelsystems mit Bodenorganismen noch nicht gut genug verstanden sind. Er möchte dazu beitragen, das zu ändern: Er hat gerade die Leitung einer Emmy Noether-Nachwuchsgruppe an der Universität Bonn übernommen, die sich genau diesem Thema widmet. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) bietet jungen Forschern mit ihrem Emmy-Noether-Programm die Möglichkeit, sich innerhalb von sechs Jahren für einen Lehrstuhl zu qualifizieren.

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An der Studie waren neben der Universität Bonn und der Universität des Südwestens das Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Pflanzenpflanzenforschung in Gatersleben, das Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln sowie Forschungsgruppen der Universitäten zu Köln beteiligt , Göttingen und Kiel sowie weitere internationale Partner aus China und Belgien.

Veröffentlichung: Peng Yu et al.: Pflanzenflavone reichern die Rhizosphäre Oxalobacteraceae an, um die Leistung von Mais unter Stickstoffmangel zu verbessern; Natürliche Pflanzen;; DOI: 10.1038 / s41477-021-00897-y