Symbiose mit Zuckerbrot und Peitsche - wissenschaft.de
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Umwelt+Natur

Symbiose mit Zuckerbrot und Peitsche

Blick mit dem Mikroskop in ein "Dünger-produzierendes" Wurzelknöllchen: Die stickstofffixierenden Bakterien sind blau markiert, die pflanzlichen Proteine braun. (Bild: ETH Zürich / Anne Greet Bittermann)

Angeblich ist es ein freundschaftliches Geben und Nehmen – doch offenbar gilt das nicht für alle Symbiosen: Forscher haben bei der Beziehung mancher Pflanzen mit Stickstoff-fixierenden Bakterien harsche Regeln aufgedeckt. Die Bakterien liefern ihren Partnern den Dünger demnach nur unter Zwang. Diese neuen Einblicke in die Abläufe bei der sogenannten Knöllchensymbiose könnten dazu beitragen, die Landwirtschaft nachhaltiger zu gestalten, sagen die Wissenschaftler.

Ohne Stickstoff läuft nichts – Pflanzen müssen diesen Nährstoff aufnehmen, um wachsen zu können. In der Landwirtschaft wird er deshalb teils in großen Mengen in Form von Ammonium auf die Felder ausgebracht. Die Herstellung des Düngers ist aus Umweltsicht allerdings problematisch, denn sie ist energieintensiv und setzt viel CO2 frei. Es gibt jedoch einige Kulturpflanzen, die selbst für ihre Stickstoffdüngung sorgen: Hülsenfrüchtler (Leguminosen) wie Bohnen, Erbsen oder Sojabohnen besitzen kleine Ammonium-Fabriken an ihren Wurzeln. Es handelt sich dabei um knöllchenartige Gebilde, in denen spezielle Bakterien leben, die den Stickstoff aus der Luft in Ammonium umwandeln können. Diesen Dünger übergeben sie der Pflanze und bekommen im Gegenzug kohlenstoffreiche Verbindungen, die sie für ihr Überleben und die energieaufwendige Stickstofffixierung benötigen.

Hoffnung für die Landwirtschaft?

Schon lange steht diese Symbiose im Fokus der Forschung, denn ihr Potenzial für die Landwirtschaft erscheint gewaltig: Der große Traum ist es, eines Tages die Symbiose-Fähigkeiten der Hülsenfrüchtler auf andere Kulturpflanzen wie etwa Getreide übertragen zu können, damit auch sie sich gleichsam selbst Dünger aus der Luft verschaffen können. Dazu müssen allerdings erst einmal die vielfältigen Faktoren der Beziehung zwischen den Hülsenfrüchtlern und den Knöllchenbakterien aufgedeckt werden. Diesem Forschungsthema widmen sich Wissenschaftler um die Brüder Beat Christen und Matthias Christen von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich.

Im Rahmen ihrer aktuellen Studie haben sie die Stoffwechselwege analysiert, die im Rahmen der Knöllchensymbiose auf der Pflanzen- und auf der Bakterien-Seite eine Rolle spielen. Dabei kamen Methoden der Systembiologie zum Einsatz, wie durch Isotope markierte Substanzen und biochemische Analysen. Als Modellpflanze diente den Biologen die kleeartige Leguminose Medicago truncatula mit ihrem bakteriellen Partner, dem Knöllchenbakterium Sinorhizobium meliloti. Es ist davon auszugehen, dass sich die Ergebnisse von diesem Modellsystem auf andere Hülsenfrüchtler übertragen lassen, sagen die Wissenschaftler.

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Zur Düngerproduktion genötigt

Ein überraschendes Ergebnis der Studie war, dass die Bakterien von der Pflanze nicht nur Kohlenstoffverbindungen bekommen, sondern auch die stickstoffreiche Aminosäure Arginin. Dabei kann man sich fragen: Warum gibt die Pflanze den Mikroben Stickstoff, den sie doch von ihnen haben will? Wie die Forscher erklären, gehört diese Versorgung zu einer Art Zwangsstrategie, mit der die Pflanze ihre Partner zur Ammoniumabgabe nötigt.
„Anders als häufig dargestellt, ist diese Symbiose gar nicht von einem freiwilligen Geben und Nehmen geprägt“, sagt Co-Autor Matthias Christen. Wie die Wissenschaftler zeigen konnten, gehen die Leguminosen mit ihren Knöllchenbakterien nicht etwa sanft und großzügig um, sondern behandeln sie sogar ähnlich wie Krankheitserreger: Die Pflanzen liefern den Bakterien zwar Kohlenhydrate, halten sie aber gezielt unter Sauerstoffmangel und setzen sie einem sauren Umfeld aus.

Produkt eines Überlebenskampfes

Dabei kommt auch das Arginin ins Spiel: Die Aminosäure ermöglicht es den Bakterien, in dem unwirtlichen Milieu zu überleben, erklären die Wissenschaftler. Denn dank dieser Substanz können die Mikroben auf einen speziellen Stoffwechsel umstellen. Um die Umgebung zu neutralisieren, übertragen sie die sauermachenden Protonen auf Stickstoffmoleküle aus der Luft. Dadurch entsteht dann wiederum das Ammonium, welches sie sich vom Hals schaffen, indem sie es aus der Bakterienzelle schleusen und somit an die Pflanze übergeben. Das für die Pflanze wertvolle Ammonium ist für die Bakterien also letztlich ein Abfallprodukt aus ihrem Überlebenskampf, in den sie gezwungen werden, resümieren die Forscher.

Die Studie liefert damit nun einen weiteren Einblick in das vielschichtige Verhältnis der beiden Partner der Knöllchensymbiose. In Anbetracht der Komplexität der Beziehung bleibt allerdings fraglich, ob sich das System der Leguminosen jemals durch gentechnische Verfahren auf Stickstoff-hungrige Kulturpflanzen wie Weizen, Mais oder Reis übertragen lässt. Doch die aktuellen Ergebnisse repräsentieren zumindest einen Schritt in diese Richtung, meinen die Wissenschaftler: „Jetzt, da wir diesen Mechanismus im Detail entschlüsselt haben, dürften die Chancen steigen, diesen Ansatz irgendwann zu einem erfolgreichen Ende zu führen“, so Beat Christen.

Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, Fachartikel: Molecular Systems Biology, doi: 10.15252/msb.199419

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