Pflanzen benötigen Stickstoff, um gesund zu wachsen und ihre Erträge zu maximieren. Besonders Hülsenfrüchtler wie Erbsen, Klee und Robinien nutzen eine Symbiose mit speziellen Bakterien, um ihren Stickstoffbedarf zu decken. Diese Bakterien, die in den Wurzelknöllchen der Pflanzen leben, sind in der Lage, den in der Luft vorhandenen Stickstoff in eine Form umzuwandeln, die für die Pflanzen nutzbar ist. Bei dieser Symbiose gibt es jedoch einen entscheidenden Unterschied zwischen einjährigen und mehrjährigen Hülsenfrüchtlern. Während einjährige Arten dazu tendieren, ihre bakteriellen Partner zu „opfern“, indem sie deren Teilungsfähigkeit irreversibel einschränken, haben Forscher der Technischen Universität Braunschweig in Zusammenarbeit mit der Southwest University Chongqing in China einen neuen Mechanismus entdeckt, wie mehrjährige Pflanzen ihre symbiotischen Beziehungen steuern, ohne die Bakterien zu schädigen.
Stickstoff ist ein essenzieller Nährstoff, der nicht nur für die Landwirtschaft von Bedeutung ist, sondern auch für die Stabilität und Gesundheit natürlicher Ökosysteme. Obwohl Luft zu etwa 78 Prozent aus Stickstoff besteht, können Pflanzen diesen nicht direkt aufnehmen. Stattdessen nutzen sie die Symbiose mit Rhizobien – den Knöllchenbakterien, die in den Wurzelknöllchen leben. Diese Bakterien wandeln den Luftstickstoff in Ammonium um, das die Pflanzen aufnehmen und nutzen können, während sie im Gegenzug den Bakterien Energie in Form von Zucker zur Verfügung stellen.
Professor Robert Hänsch von der Technischen Universität Braunschweig hebt hervor, dass die Stickstofffixierung ein zentrales biologisches Verfahren ist, das für die Produktivität in der Landwirtschaft und für die Reduzierung des Bedarfs an chemischen Düngemitteln von großer Bedeutung ist. Um diese Symbiose optimal auszunutzen, haben Pflanzenmechanismen entwickelt, um die Genaktivität der Bakterien gezielt zu steuern und deren Stickstoffproduktion zu maximieren. Bei einjährigen Arten geschieht dies häufig durch eine aggressive Strategie, bei der die Bakterien in einen Zustand der terminalen Differenzierung gezwungen werden. In diesem Zustand verlieren sie ihre Fähigkeit zur Teilung, was ihre langfristige Verfügbarkeit als Stickstoffquelle einschränkt.
Die neuen Erkenntnisse der Braunschweiger Forscher zeigen, dass mehrjährige Hülsenfrüchtler, wie die Robinie, einen anderen Weg wählen. In den Wurzelknöllchen dieser Pflanzen wurden neuartige Peptide identifiziert, die die Stickstofffixierung der Bakterien stimulieren, ohne deren Fortpflanzungsfähigkeit zu beeinträchtigen. Diese Peptide werden aktiviert, sobald die Bakterien die Wurzeln besiedeln, und sie fördern die Genaktivität in Richtung einer erhöhten Stickstoffproduktion. Robert Hänsch weist darauf hin, dass dieser Mechanismus einen signifikanten Unterschied zu den bisher bekannten Peptiden darstellt, die andere Hülsenfrüchtler verwenden, um ihre Symbiosen zu kontrollieren.
Dr. Kevin Oliphant, der mit der Studie betraut war und zuvor an der TU Braunschweig tätig war, erklärt, dass die Robinie durch diese sanfte Form der Symbiose einen stabilen und nachhaltigen Zugang zu Stickstoff über viele Wachstumsperioden hinweg gewährleistet. Dieser Ansatz könnte für langlebige Pflanzen wie die Robinie von Vorteil sein, da es ihnen ermöglicht, ihre symbiotischen Partner über längere Zeiträume zu erhalten und somit ihre Nährstoffversorgung zu optimieren.
Die Forschung zu diesem Thema umfasste Experten aus verschiedenen Disziplinen, darunter Pflanzenbiologie, Mikrobiologie und geomechanische Wissenschaften. Diese interdisziplinäre Herangehensweise ermöglichte es, die Entwicklung der Wurzelknöllchen mithilfe hochauflösender Computertomografie zu visualisieren. An der Studie waren neben der Technischen Universität Braunschweig auch das Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung, Helmholtz Munich und das Leibniz-HKI in Jena beteiligt.
Insgesamt zeigt diese Forschung, dass es alternative Strategien für die Modulation von Symbionten gibt, die über das bisher bekannte Spektrum hinausgehen und die Rolle von Peptiden in der Pflanzen-Bakterien-Symbiose neu definieren. Solche Entdeckungen sind entscheidend, um in der Zukunft nachhaltige landwirtschaftliche Praktiken zu entwickeln, die weniger auf chemische Düngemittel angewiesen sind.
