Genomanalyse einer Partnerschaft

Genomsequenzierung von Knöllchenbakterien – ist Hochertrags-Landwirtschaft ohne Stickstoffdünger möglich?

07.12.2015 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Die Rhizobien befinden sich in den sichtbaren knötchenartigen Wurzelverdickungen, die
Die Rhizobien befinden sich in den sichtbaren knötchenartigen Wurzelverdickungen, die "Wurzelknöllchen". (Bildquelle: © Ninjatacoshell/ wikimedia.org/ CC BY-SA 3.0)

Als natürliche Stickstofflieferanten leisten Knöllchenbakterien in der Natur bei der Erstbesiedlung von Flächen, aber auch in der Landwirtschaft einen wichtigen Dienst. Die Genomanalyse von 110 Rhizobien-Stämmen liefert neue Einblicke in die Partnerschaft zwischen Mikrobe und Pflanze und eröffnet neue Möglichkeiten, Kulturpflanzen zu Selbstversorgern zu machen.

Pflanzen, die reiche Ernte bringen sollen, brauchen Nährstoffe. Vor allem Stickstoff benötigen Pflanzen zum Aufbau von Proteinen, DNA und dem grünen Blattfarbstoff Chlorophyll. Stickstoff im Boden ist jedoch begehrte Mangelware, um den Pflanzen konkurrieren müssen. Luftstickstoff ist zwar im Überfluss vorhanden, in dieser Form für Pflanzen jedoch nicht nutzbar.

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Mikroskopaufnahme eines Wurzelknöllchens der Sojabohne (Glycine max). Es enthält hunderte Millionen Bradyrhizobium-Bakterien.

Mikroskopaufnahme eines Wurzelknöllchens der Sojabohne (Glycine max). Es enthält hunderte Millionen Bradyrhizobium-Bakterien.

Bildquelle: © Louisa Howard - Dartmouth Electron Microscope Facility / wikimedia.org/ CC0

Der perfekte Deal

Pflanzen aus der Familie der Hülsenfrüchtler, zu denen auch Sojabohne, Klee und Erbsen gehören, umgehen das Problem ganz einfach, indem sie eine Partnerschaft mit Bakterien eingehen. Bei Stickstoffmangel locken Botenstoffe Knöllchenbakterien an ihre Wurzeln. Diese „Rhizobien“ wandeln den Luftstickstoff (N2) in für die Pflanze verwertbares Ammonium (NH4) um und beliefern damit die Pflanzen. Im Gegenzug erhalten die Bakterien pflanzliche Kohlenstoffverbindungen für ihre Vermehrung.

Die Pflanzen-Mikroben Symbiose ist eine echte Erfolgsgeschichte und existiert vermutlich schon seit etwa 100 Millionen Jahren. Bereits Ende des 19. Jahrhunderts entdeckte man, dass sich die Erträge von Hülsenfrüchten durch Beimpfung mit Rhizobien steigern lassen. In den USA, eine der größten Soja-Anbauregionen der Welt, wird der Wert der symbiotischen Stickstoffversorgung jährlich auf mehr als eine Milliarden US Dollar geschätzt. Könnte man gänzlich auf Stickstoffdünger verzichten, würde dies weitere 4,6 MilliardenUS-Dollar jährlich einsparen.

Genomentschlüsselung einer Partnerschaft

Wissenschaftler möchten die nützliche Partnerschaft deshalb auch auf andere Kulturpflanzen übertragen. Um zu verstehen, welche molekularen Faktoren das Geben und Nehmen an der Wurzel bei Hülsenfrüchtlern ermöglichen, starteten Wissenschaftler die bisher umfangreichste Genomanalyse von Rhizobien. Die Forscher analysierten die Genome von 163 Rhizobien-Stämmen aus unterschiedlichen Regionen der Welt. Die Stämme unterschieden sich dabei in ihrer Toleranz gegenüber Salz, saurem PH-Wert und Schwermetallen.

Insgesamt identifizierten die Forscher ein Repertoire von 437 bisher unbeschriebenen Faktoren. Anhand der Proteinstruktur konnten die Wissenschaftler ein Großteil davon Funktionen bei der Besiedelung der Pflanze, Proteinsekretion, Knöllchenbildung, Nährstoffaufnahme und hormonellen Kontrolle der Pflanze zuordnen. 123  der Faktoren scheinen jedoch, eine bislang unbekannte Rolle bei dem Zusammenspiel zwischen Pflanze und Bakterien zu übernehmen. Darüber hinaus entdeckten die Wissenschaftler auch Gene, die im Laufe der Evolution einen anderen Weg einschlugen. Durch horizontalen Gentransfer wurden diese aus dem Pflanzen- in das Bakteriengenom übertragen.

Pflanzen werden zu Selbstversorgern

Die genaue Funktion der von den Genen kodierten Proteine, aber auch die regulatorischen Einheiten, die nicht in Eiweißmoleküle übertragen werden, wollen die Wissenschaftler zukünftig experimentell erforschen, um beispielsweise Rhizobien-Stämme für bestimmte Standortbedingungen zu optimieren. Letztendlich sollen die umfangreichen Datensätze helfen, Wege zu finden, um neben Hülsenfrüchtlern auch andere Kulturpflanzen für Rhizobien empfänglich zu machen.

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Die meisten Leguminosen, deren verschiedene essbare Samen im Bild zu sehen sind, leben in Symbiose mit Rhizobien. Sie machen sich unabhängig vom Nitratgehalt im Boden und sind daher auch in extrem stickstoffarmen Gegenden zu finden.

Die meisten Leguminosen, deren verschiedene essbare Samen im Bild zu sehen sind, leben in Symbiose mit Rhizobien. Sie machen sich unabhängig vom Nitratgehalt im Boden und sind daher auch in extrem stickstoffarmen Gegenden zu finden.

Bildquelle: © Bff/wikimedia.org/ CC BY-SA 3.0

Durchbruch in Sicht?

Dies wäre ein echter Durchbruch für die Vision einer Landwirtschaft ohne Stickstoffdünger. Stickstoffdünger, so schätzen Wissenschaftler, ist für 50 Prozent unserer Nahrung verantwortlich. Er verursacht aber auch Kosten und nicht nur das: Stickstoffverbindungen belasten die Umwelt mit Nitraten, führen zu Überdüngung und zur Freisetzung von Treibhausgasen wie Ammoniak. Die Stickstoffsynthese nach dem Haber-Bosch-Verfahren gehört zu den energieaufwändigsten chemischen Prozessen überhaupt. Ein Verzicht setzt jedoch Bakterienstämme voraus, die Stickstoff genau nach Bedarf abgegeben.

Problematisch ist zudem, dass Probleme auch im Zuge des pflanzenbasierten Ansatzes, im Leguminosenanbau, auftreten können. Im Ökolandbau ist eine Fruchtfolge mit Hülsenfrüchtlern wie Luzerne als Alternative zu synthetischen Düngemitteln gängige Praxis. Studien haben gezeigt, dass die Symbiose mit Rhizobien Schädlinge abhält und weitere günstige Nebeneffekte auf die Pflanzengesundheit und das Wachstum von Pflanzen hat. Ließen sich die wichtigsten Kulturpflanzen auf die Rhizobien-Symbiose umstellen, wäre dies ein großer Schritt in Richtung einer nachhaltigen Landwirtschaft. Letztlich zeigt die Studie, dass es längst nicht mehr um die Abgrenzung zwischen synthetischem und natürlichen Stickstoff geht, sondern vielmehr darum, den effizientesten Ansatz zu finden.

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