Allein flexibler als zu zweit

Stickstoff ist für Pflanzen lebensnotwendig und im Boden herrscht oft Mangel. Landwirte steuern mit Düngung dagegen, doch die ist oft ineffizient, da der Stickstoff schnell ausgewaschen wird oder als Gas aus dem Boden entweicht. Deshalb arbeiten Forscher mit Hochdruck daran, die Stickstoffaufnahme in Pflanzen zu verstehen – und zu verbessern.

Hülsenfrüchtler haben anderen Pflanzen etwas voraus. Sie sind oft die ersten, die auf Brachen, Schutthalden oder Sandgruben wachsen. Weil sie sich so unerschrocken in unwirtliche Gegenden vorwagen, werden sie auch als Pionierpflanzen bezeichnet.

Grund dafür ist, dass sie sich in Zusammenarbeit mit Knöllchenbakterien autark mit dem lebenswichtigen Element Stickstoff versorgen können. Die Bakterien nehmen den molekularen Stickstoff (N₂) aus der Luft auf, wandeln ihn in leicht bekömmliches Ammoniak (NH₃) oder Ammonium (NH₄⁺) um und geben ihn in dieser Form an die Pflanze ab. Erbse, Linse oder Soyabohne sind damit nicht auf Stickstoffdünger angewiesen. Die Weltnahrungspflanzen Weizen, Reis und Mais jedoch schon.

Hülsenfrüchtler sind Stickstoff-Selbstversorger

Jedes Jahr bringen Landwirte deshalb gewaltige Mengen Stickstoffdünger auf die Felder. Da das Element nicht lange im Boden verbleibt, werden nur etwa 30 Prozent des ausgebrachten Stickstoffs auch wirklich von den Pflanzen aufgenommen. Der Großteil wird entweder vom Regen ausgewaschen und führt in Gewässern zu gewaltigen Algenblüten. Oder er entweicht als Lachgas (N₂O) in die Atmosphäre und heizt den Treibhauseffekt an. Wissenschaftler auf der ganzen Welt arbeiten deshalb daran, die Stickstoffaufnahme von Pflanzen zu verbessern.

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Eine wichtige Rolle spielt dabei der Nitrattransporter NRT1.1, der je nach Angebot seine Affinität für Nitrat verändern kann. Befindet sich viel Nitrat im Boden, dann ist die Affinität der Transporter gering. Sie müssen sich nicht besonders anstrengen um eines der vielen Nitratmoleküle zu greifen und in die Zellen zu transportieren. Es ist genug für alle da. Fällt die Nitratverfügbarkeit im Boden jedoch ab, erhöht sich plötzlich die Affinität der Transporter. Sie binden jedes der wenigen Nitratmoleküle, das sich ihnen nähert und schaufeln es in die Wurzelzellen. Dadurch gelingt es der Pflanze, sich blitzschnell an verändernde Nitratkonzentrationen anzupassen und immer ausreichend versorgt zu sein.

Hochaffin dank Phosphorylierung

Wie genau die Transporter zwischen hoch- und niedrigaffinem Zustand umschalten, war den Forschern bisher ein Rätsel. Zwar war bereits bekannt, dass hochaffine Transporter an der Aminosäure Threonin 101 phosphoryliert sind, niedrigaffine nicht. Aber niemand wusste, wie genau diese Phosphatgruppe die Affinität verändern könnte. Jetzt zeigen Wissenschaftler erstmals die Molekülstruktur des Transporters und leiten daraus neue Theorien über die Affinitätsänderung ab.

Die Forscher fanden heraus, dass unphosphoryliertes NRT1.1 immer als Dimer kristallisiert. Das ist für diese Gruppe von Proteinen höchst ungewöhnlich. Es wäre denkbar, dass die Transporter auch in den Zellen als Dimere vorkommen und dadurch ihre Flexibilität und die Aufnahme von Nitrat eingeschränkt sind. Die Phosphorylierung könnte dazu führen, dass die Dimere sich trennen, die Transporter eine flexiblere Struktur erlangen und sich dadurch die Geschwindigkeit der Nitrataufnahme erhöht. Doch Geschwindigkeit ist nicht gleich Affinität und wie die Phosphorylierung die Affinität der Transporter zum Nitrat beeinflusst, ist weiterhin unklar.

Eine effizientere Nitrataufnahme nützt der Landwirtschaft

NRT1.1 ist zudem nicht nur Nitrattransporter, sondern auch Rezeptor. Als sogenannter Transzeptor dient er auch als Signalgeber dafür, wie viel Nitrat gerade im Boden vorhanden ist. In Gebieten mit hohem Nitratvorkommen wachsen wesentlich mehr Seitenwurzeln als in nitratarmen Bereichen. So kann die Pflanze diese wichtige Ressource besser aus dem Boden aufnehmen.Die Evolution hat die Pflanzen also bereits mit gutem Werkzeug ausgerüstet, um auf unterschiedliche Nitratkonzentrationen im Boden zu reagieren. Züchterisch ist aber noch Luft nach oben. Wenn es gelänge, Pflanzen zu einer noch effizienteren Nitrataufnahme zu bewegen, würde das unsere Landwirtschaft gleich auf mehreren Ebenen nachhaltiger machen.

Die Herstellung von Stickstoffdünger beansprucht allein ein Prozent des weltweiten Energieverbrauchs. Dazu kommen die negativen Effekte des ausgewaschenen Stickstoffs auf empfindliche aquatische Ökosysteme. Nicht zuletzt könnten Pflanzen, die schneller und besser Nitrat aufnehmen, auch schneller wachsen und einen höheren Ertrag liefern. Die Strukturdaten von NRT1.1 sind ein Schritt in diese Richtung.