Alles ist relativ

Erträge nachhaltig zu steigern ist ein Bestreben der modernen Landwirtschaft. Stickstoff und Phosphor spielen als die wichtigsten Makronährstoffe für Pflanzen eine große Rolle. Wissenschaftler haben nun einen Mechanismus entdeckt, der mittels Nitrat die Phosphat- und Nitratverwertung im Reis aktiviert.

„Für gesundes und optimales Wachstum brauchen alle Lebewesen eine gute Balance von Mineralstoffen – aber wie Pflanzen im Gegensatz zu uns Menschen diese Ausgewogenheit der Nährstoffe erreichen, ist nur wenig bekannt“, erklärt Stanislav Kopriva vom Exzellenzcluster für Pflanzenwissenschaften CEPLAS. Er und seine Kollegen haben einen wichtigen Stoffwechselweg für den Ertrag von Reis (Oryza sativa L.) aufgeklärt. Für das Wachstum ist offenbar das Verhältnis von Stickstoff (N) und Phosphor (P) ausschlaggebend. Beide Mineralstoffe interagieren stärker miteinander als bislang bekannt.

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Pflanze muss Zufuhr von Stickstoff und Phosphor koordinieren

Phosphor und Stickstoff sind die am häufigsten eingesetzten Düngemittelbestandteile weltweit. Das richtige Verhältnis von zugeführtem Stickstoff und Phosphor ist entscheidend für die Maximierung des Ertrags. Zumindest beim Reis ist es sogar entscheidender als die absolute Zufuhrmenge. Da die Nährstoffbedingungen nicht immer gleich sind, müssen Pflanzen Strategien entwickelt haben, um die Nutzung von Stickstoff und Phosphor unter ständig wechselnden Bedingungen zu koordinieren.

Signalkette zur Aufnahme von Phosphat aus dem Boden entschlüsselt

Die Wissenschaftler hatten beobachtet, dass die Zugabe von Phosphat als Dünger nur dann einen positiven Effekt auf das Wachstum und den Ertrag von Reis hatte, wenn zugleich auch eine ausreichend große Menge an Stickstoff im Boden vorhanden war. Eine detaillierte Analyse zeigte, über welchen Mechanismus Stickstoff die Aufnahme von Phosphat steuert. Dabei entschlüsselten die Forscher gleich eine ganze Signalkette: Vom Sensor, der Nitratmengen erkennt, bis hin zu Faktoren, die die Synthese der Transporter ermöglichen, die das Phosphat in die Pflanze bringen.

Kopriva erläutert: „Die meisten Komponenten waren zwar schon einzeln bekannt, aber erst durch diese Arbeit wurden sie in einen Signalweg zusammengebunden. Das bringt uns ein ganz neues Verständnis der Steuerung von Pflanzenernährung. Zudem ermöglicht es gezielte Manipulationen, um die Aufnahme beider Nährstoffe entweder enger aneinander zu koppeln oder voneinander loszulösen – je nachdem, wie nährstoffreich der Boden ist, auf dem der Reis wächst.“

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Die Signalkaskade im Detail

Folgende Signalkaskade konnten die Wissenschaftler aufdecken: Der Nitratsensor NRT1.1B interagiert mit einem Phosphatsignalrepressor (SPX4), sobald er vermehrt Nitrat wahrnimmt. Diese Interaktion fördert führt zum Abbau von SPX4 durch ein Enzym (NBIP1). Dabei handelt es sich um eine Ubiquitin-Ligase, die der Nitratsensor NRT1.1B rekrutiert. Dies wiederum ermöglicht es dem Haupt-Transkriptionsfaktor des Phosphat- Signalwegs, PHR2, sich in den Kern zu verlagern und die Transkription von Genen einzuleiten, die die Phosphornutzung ermöglichen.

Interessanterweise steht der zentrale Transkriptionsfaktor der Nitratsignalisierung, NLP3, ebenfalls unter der Kontrolle von SPX4. Somit aktiviert der nitratgetriggerte Abbau von SPX4 sowohl phosphat- als auch nitratempfindliche Gene und ermöglicht die koordinierte Nutzung von Stickstoff und Phosphor. Reis stellt für den Großteil der Weltbevölkerung das wichtigste Nahrungsmittel dar. Durch eine zielgerichtete, nährstoffabhängige Düngung lassen sich die Ernteerträge steigern, ohne das Grundwasser unnötig zu belasten.