Strippenzieher der Unterwelt - wissenschaft.de
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Umwelt+Natur

Strippenzieher der Unterwelt

Ein geheimnisvolles Bündnis von Pilzen und Wurzeln beherrscht den Boden unter unseren Füßen. Forscher entschlüsseln die Rätsel dieses „Mykorrhiza-Pakts“, um verseuchte Böden zu entgiften und Landwirten zu besseren Ernten zu verhelfen.

Ein Todeshauch liegt über der Gegend um das Städtchen Chanov im Südosten Polens, dem industriellen Herz unseres Nachbarn. „ Zink, Blei, Cadmium und Quecksilber verseuchen hier häufig den Boden“, sagt Katarzyna Turnau, Pilzforscherin an der Universität Krakau. Zuweilen sind es mehrere tausendstel Gramm pro Kilogramm trockene Erde. Vielerorts sind die Bäume verdorrt. Auf den vergifteten Flächen gedeiht nichts – fast nichts: Seit Kurzem staunen zufällige Besucher über ein kleines Versuchsfeld, wo inmitten eines von Zink verseuchten Geländes das Gras wächst. Nicht so dicht wie auf dem Grün eines gepflegten Golfplatzes, aber so auffallend wie eine Oase in der Wüste.

Dass die Pflanze den diabolischen Verhältnissen nicht nur trotzen, sondern den Boden gar von dem Metall befreien kann, verdankt sie unterirdisch lebenden Pilzen – den „arbuskulären“ Mykorrhiza-Pilzen – die Turnaus Team beim Säen des Grases mit eingeimpft hat. Ohne die kleinen Helfer, zeigen Vergleichsstudien, sterben die Pflanzen jämmerlich. Offenbar saugen die unterirdischen Pilzfäden die Metalle förmlich aus dem Boden und lagern sie in jenem Wurzelgewebe ab, das der Pilz besiedelt. So können sie den oberirdischen Pflanzenteilen nichts anhaben. Erstaunlicherweise verbinden sich die Wurzeln des Grases und die Pilze auf stark zinkhaltigen Böden viel intensiver als auf gesundem Untergrund. Folge: Die Pflanzen wachsen dank der Mykorrhiza – wörtlich übersetzt: „Wurzelpilze“ – unter dem Schwermetall-Stress besonders gut. „Unsere Pilzimpfung“, ist Katarzyna Turnau überzeugt, „taugt für den praktischen Einsatz zur Zinkentgiftung.“ Die zuvor skeptische polnische Industrie hat das registriert und und vor Kurzem Interesse an Projekten mit den Forschern signalisiert.

Die arbuskulären Mykorrhiza-Pilze, die AM (siehe Kasten unten), sind mit bloßem Auge nicht erkennbar. Doch wer in lockeren Mutterboden greift, hat sie in der Hand: ein Knäuel aus Fäden von bis zu 20 000 Kilometer Länge in einem Kubikmeter Boden. Wie mikroskopisch kleine Wühlmäuse graben die AM-Pilze noch im letzten Winkel Erde nach Mineralien und lösen Phosphor und Stickstoff auch aus organischen Rückständen wie Blättern oder anderer zersetzter Biomasse.

Ausgestattet mit dieser Handelsware gehen die Pilze eine Geschäftsbeziehung mit völlig anders gestalteten Partnern ein: den Pflanzen. Die fädigen Unterweltbewohner geben fast ihre gesamte Mineralienernte an die grünblättrigen Gewächse ab. Die Beschenkten nehmen die Gabe begierig entgegen, denn ihre Wurzeln kommen nur schwerlich an Mineralien heran. Sie vergelten den Pilzen die Leistung mit Zucker, den sie über die Photosynthese in großen Mengen produzieren. „Ein idealer Tauschhandel für beide Partner“, findet Ingrid Kottke von der Universität Tübingen. Diese Geschäftsbeziehung gibt es seit 460 Millionen Jahren, wie die Studien der Biologin und ihres Kollegen Martin Nebel vom Stuttgarter Naturkundemuseum im Herzen des tropischen Regenwaldes im Süden Ecuadors untermauerten.

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Dort, am Ostrücken der Anden, fallen die Hänge steil ab. Die Luft ist dünn in 3000 Meter Höhe, die Knie werden weich nach stundenlanger Feldforschung. Ingrid Kottke und Martin Nebel sinken nieder und graben Wurzeln aus – „ein anstrengendes Geschäft.“ Um sie herum ein grünes Paradies der Vielfalt: 200 verschiedene Baumarten verdichten sich zu einem lichtfressenden Dickicht, durchsetzt mit Lianen, prachtvollen Bromelien und Orchideen. Da würden einem Laien die winzigen und unscheinbaren Lebermoose kaum auffallen. Die Biologen indes sind begeistert: Die dortigen, evolutionsgeschichtlich sehr ursprünglichen Arten dieses Krauts „sind durch und durch von den typischen Pilzen der arbuskulären Mykorrhiza besiedelt“.

Sporen solcher Lebermoose wurden in 460 Millionen Jahre alten Gesteinsschichten gefunden, unabhängig davon auch gleich alte Sporen von AM-Pilzen. Zu jener Zeit besiedelten die ersten Pflanzen aus dem Wasser heraus das Land. Dass sie damals an die essenziellen Mineralien im Boden heran kamen und in der neuen Umgebung überlebten, schreiben die meisten Biologen den Pilzen zu. Der Fund der schwäbischen Forscher nährt die Vermutung, dass die Vorfahren dieser ecuadorianischen Lebermoose samt ihrer kleinen Helfer zu den Pionieren des Landgangs zählten. Ein weiteres Argument für die neue Hypothese: Die Lebermoose sind eng verwandt mit heute noch vorkommenden Süßwasseralgen, die vor allem in den flachen Uferregionen der Gewässer wachsen. „Von dort aus“, ist Kottke überzeugt, „konnten die Pflanzen wunderbar an Land gehen und sich dank der Pilze behaupten.“

In den folgenden Jahrmillionen avancierte das Geschäft zwischen Pilz und Pflanze zum Globalisierungsschlager. Die Pflanzen zogen über den Planeten – und mit ihnen ihre nützlichen Untergrundhelfer. Bis heute haben nur zehn Prozent der Pflanzen gelernt, ohne die Pilze zu leben. Die große Mehrheit hängt weitgehend von den Partnern ab. Je mehr AM-Pilzarten den Boden bevölkern, desto besser. In groß angelegten Freilandexperimenten haben Biologen weltweit Bodenparzellen mit einer unterschiedlichen Zahl arbuskulärer Pilzarten beimpft und anschließend mit Samen von 15 Pflanzenarten bestreut. Resultat: Die unterirdische Vielfalt der AM-Pilze entscheidet über die oberirdische Vielfalt der Pflanzen und damit über das Bild unserer Landschaft. Die Mykorrhiza – eine Supermacht im Boden!

Der Einfluss der AM auf das Design ganzer Ökosysteme erklärt sich unter anderem durch eine Art Nährstoff-Pipeline, zu der sich die Pilzfäden vernetzen. Dieser Zucker-Highway verbindet nicht nur die einzelnen Pilze, sondern auch alle angeschlossenen Pflanzen. Über diesen Weg kann ein Pilz die Zuckerlieferung „ seines“ eigentlichen Partners an eine entfernte Pflanze weiterreichen. So füttert die Kooperation aus starken Pflanzen und Pilzen besonders die schwächsten Mitglieder des Ökosystems: Keimlinge beispielsweise profitieren von der Pipeline, bis sie selbst genügend Sonnenenergie einfangen und Zucker produzieren können. „Wer als Keimling nicht in die Nähe von Pilzsporen fällt“ , sagt Kottke, „hat keine Chance. Er wird sterben.“

Diese Freizügigkeit verführt natürlich Schmarotzer zum Missbrauch. So haben Orchideen im Laufe der Evolution ihren Photosynthese-Apparat abgeschaltet. „Sie ernähren sich ausschließlich über die Pipeline“, erklärt Marc-André Selosse vom staatlichen Museum für Naturwissenschaften in Paris. Aus Partnern wurden Parasiten, die absahnen, wo es nur geht – ohne selbst etwas zum gemeinschaftlichen System beizusteuern.

Selosses Ergebnisse passen in das neue Bild, wonach die Nährstoff-Geschäfte im Untergrund komplexer sind als zunächst angenommen. Zwar kann im Prinzip jeder AM-Pilz mit fast jeder Pflanze eine Liaison knüpfen. Doch in den Jahrmillionen der Evolution haben sich Paarungen entwickelt, die effektiver sind als andere. Der Biologe John Klironomos von der kanadischen University of Guelph brachte in seinem Gewächshaus Pflanzen und Pilze zwangsweise zusammen, die von Natur aus nicht kooperieren. Der Effekt: Die Pilze stellten ihre Mineralien-Lieferungen ein. Auf den Zucker der Pflanzen verzichteten sie freilich nicht. Passten die Partner in Klironomos Experimenten hingegen besonders gut zusammen, überschütteten die Pilze „ihre“ Pflanze mit Phosphor und Stickstoff.

„Wahrscheinlich steuern komplexe biochemische Signale Neigung und Abneigung der Partner“, erklärt Thomas Fester vom Institut für Pflanzenbiochemie in Halle, der mit seinen Kollegen den molekularen Dialog zwischen AM-Pilz und Pflanze belauscht. Wichtige Signalstoffe haben die Forscher bereits entdeckt. Konkurrenz kommt jetzt aus den USA. Dort hat das mächtige „ Department of Energy“ ganze Konsortien von Forschern beauftragt, das Erbgut zweier wichtiger Mykorrhiza-Pilze von Nutzpflanzen zu entschlüsseln. Die Hoffnung ist, mit den nützlichen Pilzen die weltweit wachsenden Probleme bei Nahrungsmittelproduktion und Umweltschutz besser in den Griff zu bekommen.

Wenn in einigen Jahrzehnten, wie Experten prophezeien, die abbaubaren Phosphatreserven der Erde und der Kunstdünger zur Neige gehen, brauchen Reis, Mais und alle anderen Nutzpflanzen jedes Milligramm Phosphat aus ihrer Nachbarschaft. Mit Stickstoff-Düngern sieht es nicht viel anders aus. Dann könnte das Wissen um die Mykorrhiza so wertvoll wie Gold werden. Bis dahin „müssen wir verstehen, was zwischen Pflanze und Pilz läuft“ , sagt der am Genom-Projekt beteiligte US-Forscher Gopi Podila von der University of Alabama in Huntsville.

Er denkt dabei an die Entwicklung „nachhaltiger Getreidesorten, die weniger abhängig von Kunstdüngern sind oder trockenem Boden besser widerstehen“. Oder an die Identifizierung und anschließende Produktion einzelner wichtiger Signalmoleküle, um das Mykorrhiza-Bündnis auch unter schwierigen Umweltbedingungen zu optimieren. Erosion, Versalzung oder Trockenheit bedroht fast ein Viertel der weltweiten Landmasse und erschwert oder verhindert die landwirtschaftliche Nutzung.

„Das Mykorrhiza-System kann Pflanzen widerstandsfähiger gegen Trockenstress machen“, betont der Botaniker Bob Augé von der University of Tennessee in Knoxville. Zum einen hat sich in Laborversuchen gezeigt, dass Pflanzen ohne Mykorrhiza-Pilze in trockenen Böden fast gar keinen Phosphor aufnehmen – selbst wenn genug von dem Mineral vorhanden ist. Außerdem scheinen die Pilzfäden in trockenem Boden für die Pflanzen nach Wasser zu suchen. Und es gibt Hinweise, wonach die Pilze über bestimmte Stoffe – wie die „Abscisinsäure“ – biochemische Signalwege der Pflanzen beeinflussen. Folge: Über die Öffnungen in den Blättern verdunstet weniger Wasser.

Allerdings sind die bisherigen Ergebnisse noch widersprüchlich. Bob Augé meint: „Niemand weiß genau, wie die Pilze das anstellen.“ Auf ähnlich rätselhaften biologischen Pfaden ermuntern AM-Pilze das Abwehrsystem von Pflanzen im Kampf gegen Schädlinge. Solche Fähigkeiten könnten professionellen Gemüseanbauern und Blumenzüchtern helfen. Sie suchen derzeit händeringend nach Alternativen im Kampf gegen Würmer, nachdem ihre bisherige Allzweckwaffe, das Methylbromid, im Januar 2005 verboten wurde, weil es die Ozonschicht der Erde angreift.

Wissenschaftler um Robert Sikora von der Universität Bonn haben ein Verfahren erprobt, „das den Wurmbefall in Gewächshausversuchen um 70 bis 80 Prozent reduziert hat“. Der Clou ist eine Doppelattacke: Das Gemüse wurde in Böden angebaut, die die Forscher mit bestimmten Bakterien beimpft hatten. Die Mikroben wiederum scheinen die AM-Pilze im Kampf gegen die Würmer regelrecht zu dopen. Da die meisten Gemüsearten als Sämlinge in Töpfen herangezogen werden, könnte man sie schon sehr früh und mühelos mit den AM-Pilzen und den Bakterien impfen. „Bis zur Praxisreife“, meint Sikora, „ist es allerdings noch ein langer steiniger Weg.“

Weit gediehen sind dagegen Katarzyna Turnaus Pläne, mit Schwermetall verseuchte Böden durch Wurzelpilze und Pflanzen zu sanieren. Gerade für die neuen osteuropäischen EU-Länder mit ihren großflächigen Altlasten käme die Entgiftung per Mykorrhiza gerade recht – die Umweltstandards aus Brüssel sind hoch. Andererseits will die Biologin auch die industrielle Gewinnung wichtiger metallische Rohstoffe mithilfe des Mykorrhiza-Systems forcieren. Dafür erforscht sie so genannte hyperakkumulierende Pflanzen wie eine kleine gelbe Blume namens Berkheya coddi, die ein paar Prozent ihres Trockengewichts an Nickel speichern kann. „ Das ist unglaublich viel“, schwärmt Turnau.

Mithilfe von Berkheya coddi baut die südafrikanische Industrie das Metall seit Längerem aus natürlicherweise nickelhaltigen Böden ab. Wie Turnau als Erste entdeckte, verbünden sich hyperakkumulierende Pflanzen mit AM-Pilzen. Zwar können die Gewächse auch ohne den Partner überleben. Doch mit einem funktionierenden Mykorrhiza-System nehmen sie „doppelt so viel Nickel auf wie ohne Pilz“.

Das Problem ist: Bei der Ernte der Pflanzen wird üblicherweise fast der gesamte obere Mutterboden mit abgetragen, um auch die nickelhaltigen Wurzeln zu bekommen. So verbleiben nicht mehr genug Pilze im Boden für die nächste Generation. Katarzyna Turnau will jetzt die entsprechenden AM-Pilze züchten, um den Nachschub für die abgeernteten Böden zu sichern – als Turbo für die Nickelgewinnung. ■

Klaus Wilhelm

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Klaus Wilhelm ist Biologe und Wissenschaftsjournalist in Berlin – und seit der Recherche für diesen Beitrag ein großer Bewunderer der kleinen Untergrundaktivisten.

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• Geschäftspartner: Unterirdische Pilze dringen tief in die Zellen der Pflanzenwurzeln ein und tauschen dort mit ihnen Nährstoffe aus.

• Lebensspender: Nur ein Zehntel aller Pflanzen kann ohne die Pilze überleben.

• Pionier: Das Mykorrhiza-System ist etwa 460 Millionen Jahre alt. Nur mit seiner Hilfe konnten die Meeresbewohner das Land erobern.

COMMUNITY Internet

Umfangreiche Mykorrhiza-Dokumentation des Leibniz-Instituts für Pflanzenbiochemie in Halle (IPB) für Schüler, Lehrer und Studenten:

www.ipb-halle.de/myk/

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Die weltweit nur etwa 200 Pilzarten der Gattung Glomales haben keinen oberirdischen Fruchtkörper. Doch ihre unterirdischen Fäden verbünden sich mit rund 200 000 Pflanzenarten zum System der „ arbuskulären Mykorrhiza“ (AM). Es ist die meist verbreitete Form einer Pilz-Pflanzen-Partnerschaft zum gegenseitigen Nutzen. Farne, Moose, Gräser, krautige Blütenpflanzen, aber auch Bäume wie Esche, Ahorn, Kirsche und Rosskastanie laden mit molekularen Signalen die Pilzfäden ein, sich über das gesamte Wurzelwerk auszubreiten. Sie stülpen sich direkt in die Zellen ein, ohne etwas zu zerstören – als würde man mit einer Hand in einen schlaffen Luftballon drücken. Auf diese Weise umgeben die Zellen die Pilzfäden. Diese verästeln sich fein zu einer baumartigen Struktur, um eine möglichst große Oberfläche für den Stoffaustausch zu schaffen. Die Bezeichnung „arbuskulär“ stammt entsprechend vom lateinischen Wort „arbusculum“ für „Bäumchen“ ab. Steinpilz und Pfifferling, Marone und Morchel – die spektakulären Speisepilze mit ihrem oberirdischen Fruchtkörper bilden die seltenere Form der Mykorrhiza, die so genannte Ektomykorrhiza. Wie mit einem Filzmantel umspinnen die unterirdischen Fäden der Pilze nur die Wurzelspitzen von Pflanzen, dringen aber nicht in deren Zellen ein. Fast nur Bäume in gemäßigten und kalten Klimazonen gehen diesen Bündnisart ein – in Mitteleuropa etwa Buche, Eiche, Birke, Fichte, Tanne oder Kiefer. Die Ektomykorrhiza entstand, als vor etwa 130 Millionen Jahren Nadelbäume die Welt eroberten und deren organische Streu samt Phosphat und Stickstoff nicht von der bis dato allein vorkommenden arbuskulären Mykorrhiza verwertet werden konnte. Biologen schätzen, dass sich etwa 5000 verschiedene Pilzarten über eine Ektomykorrhiza mit Bäumen vergesellschaften.

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Wer kennt das Problem nicht? Sei es die Feige, sei es der Farn – die Topfpflanzen im Zimmer oder auf dem Balkon dümpeln vor sich hin, statt prachtvoll zu gedeihen. Ein Fall für eine Pilzimpfung? Der Markt für Mykorrhiza-Produkte boomt: 500 000 Liter wurden 2003 in Deutschland verkauft gegenüber 30 000 Litern im Jahre 1997. „Ein Anstieg um rund 1000 Prozent“, freut sich Falko Feldmann von der Biologischen Bundesanstalt in Braunschweig. Normaler Blumenerde für Topf- und Balkonpflanzen fehlt es an jenen Mykorrhiza-Pilzen, „die gerade bei mangelhafter Düngung wichtig für die Pflanze sind“, erklärt der Biologe, der sich seit 20 Jahren mit dem Thema beschäftigt. Allerdings: „Ein Mykorrhiza-Produkt kann in diesem Fall den Dünger nur ergänzen und nicht ersetzen.“

Um den Verbraucher besser zu informieren, haben sich die europäischen Hersteller auf Qualitätskriterien geeinigt. „Auf einer Packung muss jetzt drauf stehen, welcher Pilz in welcher Menge drin ist“, sagt Henning von Alten, Mykorrhiza-Experte an der Universität Hannover. Zudem wird erwähnt, für welche Pflanzen er sich eignet. Das ist wichtig, denn für manche Pflanzen wäre die Pilzimpfung herausgeworfenes Geld: Zehn Prozent aller Pflanzen haben gelernt, ohne Wurzelpilze auszukommen – beispielsweise Kohl.

Ob eine Pilz-Impfung im Garten- und Landbau wirklich nutzt, bleibt umstritten. Zwar haben Analysen gezeigt, dass auf intensiv bewirtschafteten Böden die Vielfalt der Mykorrhiza-Pilze sinkt und vielerorts eigentlich Bedarf für eine Pilzspritze besteht. Doch „für einen positiven Effekt müssen Pflanze und Pilz wirklich zusammenpassen“, betont von Alten, der einen umfassenden Service besonders für professionelle Gärtner oder Landwirte favorisiert. Vor dem Kauf sollten 20 bis 30 verschiedene Pilze getestet werden, um herauszufinden, welcher Pilz der beste für die anzubauende Pflanze ist.

Was die Beimpfung mit Mykorrhiza-Pilzen im Landschaftsbau bewirken kann, zeigt das Beispiel der Eurotunnelstrecke. Tonnen über Tonnen Erdreich hatten Arbeiter auf der britischen Seite angekarrt, um beidseits der Trasse riesige Böschungen aufzuschütten. Die Erde stammte aus tieferen Bodenschichten, die nahezu frei von Pilzen sind. Auf dieser Erde schlug die Begrünung zunächst fehl. „Gezielte Beimpfungen mit Mykorrhiza-Pilzen“, sagt der Hannoveraner Experte, „ließen Gras und Blumen dann förmlich wuchern.“

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Pilze beeinflussen nicht nur ihre pflanzlichen Partner, sondern auch Struktur und Gesundheit des Bodens. In unvorstellbaren Mengen sondern sie einen Stoff ab, der die Erdpartikel wie ein Leim verklebt: das „Glomalin“. Etwa 30 Prozent des Kohlenstoffs im Boden sind in dieser Substanz gebunden. „Ohne Glomalin würde die Krume bei jedem Regen gnadenlos fortgespült“, sagt der Mykorrhiza-Experte Henning von Alten von der Universität Hannover. Glomalin ist eine wahre Erosionsbremse. Sein Gehalt hängt stark davon ab, wie der Boden bewirtschaftet wird: Er steigt, wenn man nicht pflügt und die Getreidehalme nach der Ernte stehen lässt, die Phosphat-Düngung reduziert und nur Nutzpflanzen anbaut, die mit Pilzen ein Mykorrhiza-Bündnis eingehen können.

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