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Stickstoff-Fixierung

Millionen Jahre alte Symbiose zwischen Pflanzen und Bakterien

| Redakteur: Dipl.-Medienwirt (FH) Matthias Back

Wenn Pflanzen mit Stickstoff-fixierenden Bakterien eine Zweckgemeinschaft eingehen, ziehen aus dieser Symbiose beide Partner Wettbewerbsvorteile: Die Pflanzen erhalten von den Bakterien Stickstoff, den sie zum Wachstum benötigen, aber nicht selbst fixieren können. Die Mikroorganismen wiederum finden in den Pflanzenwurzeln Nahrung und geschützten Lebensraum.

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Knöllchenbakterien an Pflanzenwurzeln
Knöllchenbakterien an Pflanzenwurzeln
(Bild: Max-Planck-Institut für Biogeochemie)

Jena – Bisher war nicht bekannt, wie sich diese Symbiosen zwischen Bakterien und Pflanzen während der Evolution entwickelt haben. Ein internationales Expertenteam hat nun herausgefunden, dass bereits in einem sehr frühen Evolutionsschritt die Grundlage für alle Symbiosen zwischen Pflanzenarten und Stickstoff-fixierenden Bakterien gelegt wurde.

Stickstoff ist ein essentieller Bestandteil biologischer Moleküle, insbesondere von Makromolekülen wie Proteinen und Nukleinsäuren. Obwohl er in der Atmosphäre in riesigen Mengen als molekularer Stickstoff (N2) vorkommt, kann er von Pflanzen in dieser Form nicht verwertet und genutzt werden. Nur bestimmte Bakterien, sogenannte Stickstoff-Fixierer, sind in der Lage, im Bodenwasser gelösten elementaren Stickstoff zu binden.

Symbiose wird als Wurzelknöllchen sichtbar

Im Laufe der Evolution haben sich verschiedene symbiotische Beziehungen zwischen den bakteriellen Stickstoff-Fixierern und bestimmten Pflanzenfamilien im Boden entwickelt. In dieser für beide Partner vorteilhaften Lebensgemeinschaft liefern die Bakterien den essentiell benötigten Stickstoff als Ammonium an die Pflanzen, die wiederum Kohlenhydrate und andere Nährstoffe an die Bakterien abgeben. Diese Symbiose wird meist als Wurzelknöllchen sichtbar – Ansammlungen von Bakterienkolonien, die an den Wurzeln ihrer Wirtspflanzen anhaften.

Doch wann, wie und bei welchen Vertretern haben sich im Laufe der Evolution solche tiefgreifenden, für die Pflanzen höchst vorteilhaften Entwicklungsschritte vollzogen? Diesen Fragen ging ein Expertenteam aus Amsterdam, Dundee und Jena nach. Grundlage ihres Forschungsansatzes war eine geeignete Datenbank, die alle bekannten Stickstoff-fixierenden Pflanzenarten beinhaltet. „In unserer globalen Datenbank zu Pflanzenmerkmalen haben wir neben vielen anderen Pflanzeneigenschaften auch das Merkmal der Stickstoff-Symbiose aufgenommen“ sagt Dr. Jens Kattge vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena, Koautor der Studie.

Diese, auch vom Deutschen Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) geförderte Datenbank über bisher etwa 70.000 weltweit erfasste Pflanzenarten wurde mit weiteren Daten zu Wurzelknöllchen-Symbiosen ergänzt. So entstand die erste umfassende Datenbank aller bekannten Pflanzenarten, die in symbiotischer Beziehung mit bakteriellen Stickstoff-Fixierern leben.

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