English China

Stickstoff-Fixierung

Millionen Jahre alte Symbiose zwischen Pflanzen und Bakterien

Seite: 2/2

Firmen zum Thema

Kombiniert mit genetischen Verwandtschaftsanalysen wurde auf Grundlage der Datenbank ein umfassender Stammbaum aller Pflanzenarten bezüglich der Befähigung zur Stickstoff-Fixierung erstellt. Mathematische Berechnungen lieferten die erstaunliche Entstehungsgeschichte der Symbiose: Allen Stickstoff-fixierenden Pflanzen liegt mit höchster Wahrscheinlichkeit eine einzige gemeinsame, grundlegende Veränderung zu Grunde, die sie zur Lebensgemeinschaft mit bakteriellen Symbionten befähigt.

Aufbauend auf dieser vor über 100 Millionen Jahren errungenen Eigenschaft haben sich nachfolgend verschiedene symbiotische Beziehungen zwischen manchen Pflanzenfamilien und verschiedenen bakteriellen Stickstoff-Fixierern entwickelt. „Mit der Evolution dieser Symbiose wurde der globale Stickstoff-Kreislauf vor 100 Millionen Jahren grundlegend verändert“ so Jens Kattge. „Die Welt sähe ohne sie heute anders aus.“ In einigen Pflanzengruppen wurden diese Symbiosen im Laufe der Evolution stabil weitergeführt, in anderen Pflanzen aber auch wieder verloren.

Wirkmechanismus auf landwirtschaftliche Nutzpflanzen übertragbar?

Mit Hilfe dieser Rekonstruktion der evolutionären Entwicklung kann die detaillierte genetische Grundlage und damit der Mechanismus erforscht werden, der Pflanzen befähigt, mit den Stickstoff-Fixierern eine Symbiose einzugehen. Mit den neuen Erkenntnissen steigt die Hoffnung, dass die Wirkmechanismen der Symbiose möglicherweise auf landwirtschaftliche Nutzpflanzen übertragen werden können. Denn in Nahrungsmittel-Pflanzen wie Mais und Weizen ist die Fähigkeit zur Symbiose genetisch nicht verankert. Diesen Pflanzen muss zur Ertragssteigerung in der Regel mineralischer Stickstoff als Kunstdünger angeboten werden.

Da Stickstoff in Böden meist nur in geringen Mengen vorhanden ist, stellt er einen für das Pflanzenwachstum begrenzenden Faktor dar. Mit Stickstoff-Fixierern symbiotisch lebende Pflanzen können hingegen auch auf kargen, nährstoffarmen Böden gut gedeihen und haben dadurch Selektionsvorteile. Solche Pflanzen werden in der Landwirtschaft zur Stickstoff-Anreicherung der Böden angepflanzt. Dazu zählen beispielsweise die Leguminosen (Hülsenfrüchtler), die mit bakteriellen Rhizobien zusammen leben.

Für biogeochemische Stoffkreisläufe spielen diese Symbiosen eine wichtige Rolle: Sie sind essentiell für die Stickstoff-Verfügbarkeit in vielen natürlichen Ökosystemen und tragen entscheidend zur Neubesiedlung von Ökosystemen sowie deren Biodiversität bei. Als limitierender Faktor des Pflanzenwachstums ist Stickstoff darüber hinaus auch wichtig für die pflanzliche Biomasse-Produktion, und damit für den globalen Kohlenstoff-Kreislauf. Die Symbiose wird daher als eine der wichtigsten auf unserem Planeten angesehen.

Originalpublikation: Werner, G. D. A. et al. A single evolutionary innovation drives the deep evolution of symbiotic N2 fixation in angiosperms. Nat. Commun. 5:4087, doi: 10.1038/ncomms5087 (2014).

(ID:42739307)