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Stickstofffixierung mithilfe von Bakterien Wie sich Pflanzen bald selbst düngen könnten

| Autor / Redakteur: Dr. Fabio Bergamin / Christian Lüttmann

Manche Pflanzen wie Soja und Klee düngen sich quasi selbst: An ihren Wurzeln leben Bakterien, die ihnen lebensnotwendiges Ammonium bereitstellen. Nun haben Forscher der ETH Zürich den zugrundeliegenden Mechanismus entschlüsselt. Damit könnten sie bald auch anderen Nutzpflanzen diesen Trick beibringen könnten, sodass weniger Dünger auf dem Feld gebraucht wird.

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Knöllchenbakterien (blau) in einer Pflanzenwurzel. Braun sichtbar sind pflanzliche Proteine (kolorierte elektronenmikroskopische Aufnahme).
Knöllchenbakterien (blau) in einer Pflanzenwurzel. Braun sichtbar sind pflanzliche Proteine (kolorierte elektronenmikroskopische Aufnahme).
(Bild: ETH Zürich / Anne Greet Bittermann)

Zürich/Schweiz – Pflanzen benötigen Stickstoff in Form von Ammonium, um wachsen zu können. Bei vielen Kulturpflanzen müssen Landwirte dieses Ammonium als Dünger aufs Feld geben. Dessen Herstellung ist energieintensiv und teuer, zudem entsteht bei bei der heutigen Produktionsweise viel CO2.

Einige wenige Ackerpflanzen besorgen sich den Ammoniumnachschub allerdings selbst, wie schon länger bekannt ist: In den Wurzeln von Bohnen, Erbsen, Klee und anderen Hülsenfrüchtlern leben Bakterien, welche den Stickstoff aus der Luft in Ammonium umwandeln. Die Pflanzen und die so genannten 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 Carbonsäuremoleküle.

Doch Forscher der ETH-Zürich haben diese Symbiose genauer untersucht und nun festgestellt: Ganz so harmonisch ist das Tauschgeschäft zwischen Pflanze und Bakterium nicht. „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 Matthias Christen vom Institut für molekulare Systembiologie.

Symbiose oder Überlebenskampf?

Wie die Wissenschaftler zeigten, legen Soja und Klee ihren Knöllchenbakterien nicht den roten Teppich aus, sondern empfangen sie vielmehr wie einen Krankheitserreger: Die Pflanzen versuchen, den Bakterien den Sauerstoff abzudrehen und setzen sie einem sauren Umfeld aus. Die Bakterien müssen sich anstrengen, um in diesem unwirtlichen Milieu überhaupt zu überleben. Sie beziehen dafür von der Pflanze neben Kohlenstoff auch die stickstoffreiche Aminosäure Arginin. Damit sind sie in der Lage, auf einen Stoffwechsel umzustellen, für den sie nur wenig Sauerstoff benötigen.

Um auch die saure Umgebung zu überstehen, übertragen die Mikroben sauermachende Protonen auf Stickstoffmoleküle aus der Luft und neutralisieren so ihr Umfeld. Dabei entsteht Ammonium, welches sie loswerden, 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, Professor für experimentelle Systembiologie an der ETH und Leiter der Studie. Das Zusammenspiel von Pflanze und Bakterien ist also deutlich komplexer als lange Zeit angenommen. „Obschon die Stickstofffixierung der Knöllchenbakterien seit vielen Jahrzehnten untersucht wird, war das Wissen unvollständig“, stellt der Biologe fest.

Nun wissen die Forscher, warum die Knöllchenbakterien so viel Energie aufwenden, um molekularen Stickstoff in Ammonium umzuwandeln: Es ermöglicht ihnen zu überleben.

Mit Biotechnologie zu nachhaltigerer Landwirtschaft

Das neue Wissen wird man in der Landwirtschaft und in der Biotechnologie nutzen können, um die bakterielle Stickstofffixierung auf Kulturpflanzen zu übertragen, die keine Hülsenfrüchtler sind. Dazu gehören zum Beispiel Weizen, Mais oder Reis. Zwar haben Wissenschaftler schon mehrfach versucht, auch diesen Nutzpflanzen die Selbstdüngung beizubringen – bislang allerdings nur mit bescheidenem Erfolg, weil eben ein wichtiges Puzzleteil des Stoffwechsels nicht bekannt war. „Jetzt, wo wir den Mechanismus im Detail entschlüsselt haben, dürften die Chancen steigen, diesen Ansatz zu einem erfolgreichen Ende zu führen“, sagt Beat Christen.

Es ist denkbar, alle für den Stoffwechselweg nötigen Gene mit biotechnologischen Verfahren direkt in die Kulturpflanzen einzufügen. Ein anderer Ansatz wäre, diese Gene in Bakterien zu übertragen, die mit den Wurzeln von Weizen oder Mais wechselwirken. Solche Bakterien wandeln derzeit keinen Stickstoff aus der Luft in Ammonium um – biotechnologisch könnte man ihnen aber dazu verhelfen. „Unsere neuen Erkenntnisse werden es ermöglichen, die Abhängigkeit der Landwirtschaft vom Ammoniumdünger zu verringern und damit die Landwirtschaft nachhaltiger zu gestalten“, sagt Matthias Christen.

Originalpublikation: Flores-Tinoco CE, Tschan F, Fuhrer T, Margot C, Sauer U, Christen M, Christen B: Co-catabolism of arginine and succinate drives symbiotic nitrogen fixation, Molecular Systems Biology, Volume 16, Issue 6, 1 June 2020, DOI: 10.15252/msb.20199419

* Dr. F. Bergamin, ETH Zürich, 8092 Zürich/Schweiz

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