Ingenieurskunst für die Wurzeln

Der unmittelbare Bereich um die Wurzeln, die Rhizosphäre, ist der Ort, wo Pflanzen chemische Verbindungen, Moleküle und Signale mit dem Boden austauschen. In der Rhizosphäre kommt es zu Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Mikroorganismen. Neue Ansätze zur Förderung des Pflanzenwachstums stützen sich auf das „ecological engineering“, die gezielte Verbesserung des Bodens durch den Menschen. Voraussetzung ist das Verständnis eines sehr komplexen und vielfältigen Systems. Der folgende Beitrag erklärt Hintergründe und gibt einen Überblick über das junge Feld, dessen Begriffsdefinition bereits Mitte des letztens Jahrhunderts erfolgte.

Der Boden ist eine der wichtigsten Ressourcen der Erde. Er erlaubt das Wachstum der Primärproduzenten, die Pflanzen, und somit die Entfaltung des Lebens auf unserem Planeten. Böden sind Teil wichtiger Stoffkreisläufe. Doch bei genauerer Betrachtung ist vor allem der unmittelbare Bereich rund um die Wurzeln, die Rhizosphäre, für die Funktionsweise des biologischen Systems Bodens maßgeblich.

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Neue Ansätze sehen vor, die Rhizosphäre gezielt zu verändern, regelrecht zu designen, mit dem Ziel, das Pflanzenwachstum zu fördern. Den vielversprechenden Möglichkeiten steht im Moment ein noch ungewisser Ausgang gegenüber. Noch gibt die Rhizosphäre viele Rätsel auf. In der Sonderreihe „Die Rätsel der Rhizosphäre lösen“ ("Unravelling the secrets of the rhizosphere") widmet sich eine Ausgabe des Fachmagazins Trends in Plant Sciences demThema.

Drei unersetzliche Millimeter – die Rhizosphäre

Die Rhizosphäre wird meist definiert als die drei Millimeter, die eine physiologisch aktive Wurzel umgeben. Sie ist der Schauplatz der Dreiecksbeziehung von Boden, Mikroorganismen und Pflanzenwurzeln. Warum ist die Rhizosphäre so wichtig? Hier saugt die Pflanze ihre Nährstoffe auf, die sie zum Leben benötigt, Mikro- wie Makronährstoffe. Umgekehrt scheiden die Wurzeln Exsudate in Form von Zuckermolekülen, Aminosäuren oder anderen organischen Säuren aus. Über diese Exsudate verändert die Wurzel den pH-Wert des Bodens und beeinflusst so die Verfügbarkeit der Nährstoffe.

Durch die Pflanzenexsudate werden zudem zahlreiche Mikroorganismen rekrutiert. Bakterien und Pilze, die ohnehin schon reichlich im Boden vorhanden sind (Schätzungen gehen von bis zu zehn Milliarden Mikrobenzellen und bis zu 50.000 unterschiedlichen Spezies pro Gramm Boden aus) vervielfachen sich im Bereich der Rhizosphäre. Damit zählt der Boden zu einem der artenreichsten Biotope überhaupt.

Positives Feedback im Boden

Viele Mikroorganismen, insbesondere Rhizobien und Mykorrhizapilze, sind positiv für die Gesundheit und Entwicklung von Pflanzen. So entsteht eine positive Rückkoppelung ("Rhizosphere Feedback Loop") und ein dynamisches Gleichgewicht. Gesunde Pflanzen scheiden größere Mengen Exsudate aus, die wiederum Mikroorganismen anlocken, die ihrerseits das Wachstum und die Gesundheit der Pflanzen fördern.

Größere und produktivere Pflanzen kurbeln die Wurzelexsudation weiter an, was wiederum mehr Mikroorganismen anlockt usw. . Auch die Qualität des Bodens gehört zu dieser Gleichung, denn ein fruchtbarer Boden beherbergt mehr Mikroorganismen als ein unfruchtbarer. Absterbende Mikrobenzellen sowie Pflanzenteile führen zu einer größeren Menge an Biomasse, was die weitere Bodenbildung anregt.

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Ein gesundes Gleichgewicht pflegen

Dieses dynamische Gleichgewicht zu pflegen ist äußert wichtig, denn Pflanzen sind an ihrem Standort fest verankert. Zudem bietet sich die Möglichkeit, durch gezieltes „Ecological engineering“ die Dreiecksbeziehung Boden-Mikroorganismen-Wurzel zu Gunsten des Pflanzenwachstums zu beeinflussen. Ansätze, um die Erträge der Landwirtschaft nachhaltig zu erhöhen, gewinnen angesichts der rasant wachsenden Weltbevölkerung an Bedeutung.

Mikroben-Cocktails für ein gesünderes Pflanzenleben

Wissenschaftler versuchen, den gesundheitsfördernden Effekt von Mikroorganismen zu verstehen und zu nutzen. In Forschungsprojekten verabreichen sie regelrechte Mikroben-Cocktails, um die Pflanze zu unterstützen oder Krankheitserreger zu bekämpfen, z.B. durch die Freisetzung von Mikroorganismen, die antibakterielle Stoffe ausscheiden.

Bei diesen Strategien wird auf jeweils einen Punkt im Beziehungsdreieck Boden-Pflanze-Mikroorganismen fokussiert. Neue Ansätze versuchen, gezielt in die Rhizosphäre einzugreifen, um das System ganzheitlich zu verbessern. Ziel dieser Vorgehensweise ist es, das Gleichgewicht der austarierten Dreiecksbeziehung zu erhalten. Damit kommen wir zum bereits erwähnten „ecological engineering“, das die Rhizosphäre als komplexes Ökosystem betrachtet.

Wie die richtigen chemischen und biologischen Wechselwirkungen in der Rhizosphäre gefördert werden können, um eine verbesserte Pflanzengesundheit und ein gesteigertes Pflanzenwachstum zu erreichen, zeigen aktuelle Beispiele.

Von der Gentechnik zur „Ökotechnik“

Ein Beispiel beruht auf der Aktivierung pflanzeneigener Schutzmechanismen. Ist eine Pflanze mit einem Pathogen konfrontiert, wird eine Reaktion in Gang gesetzt, die einer Immunreaktion beim Menschen ähnelt. Bei einer zweiten Begegnung mit dem Parasiten reagiert die Pflanze schneller und effizienter auf die Infektionsgefahr. Dieser Resistenzmechanismus wird mit SAR (systemic acquired resistance) abgekürzt. SAR steht für eine systemisch erworbene Resistenz im Gesamtsystem Pflanze und nicht nur am betroffenen Blatt oder Pflanzenorgan. Die „Ökotechnik“ nutzt dieses pflanzeneigene Prinzip und induziert eine Abwehrreaktion. Diese wird durch Bakterien wie den Rhizobien ausgelöst. Rhizobien sind keine Krankheitserreger, sondern Symbionten für die Stickstofffixierung aus der Luft.

Diese wachstumfördernden Bakterien rufen in Pflanzen eine Abwehrreaktion hervor, die nicht  ihnen selbst gilt. Diese induzierte systemische Resistenz („induced systemic resistance“) wird als ISR abgekürzt. Pflanzen sind nach einer ISR-Reaktion weniger anfällig gegenüber einer Vielzahl anderer Krankheitserreger. Durch die gezielte Änderung des Rhizosphären-Mikrobioms lassen sich Mikroorganismen, die eine ISR hervorrufen, gezielt anreichern. Die Pflanzen werden schonend auf mögliche Attacken vorbereitet und geschützt.

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Beim „ecological engineering“ sieht man also nicht nur, dass die gewünschten Bakterien im Boden vorhanden sind, sondern auch, dass sie die richtige Reaktion bei der Pflanze auslösen. Dieser biologische Pflanzenschutz schützt umfassender und spart gleichzeitig chemische Pflanzenschutzmittel. Damit das Wirkungsdreieck komplett wird, versuchen Wissenschaftler parallel, die trophischen Zusammenhänge zwischen Wurzeln und Bakterien zu verändern. Ziel ist, die Bakterien mit positiver Wirkung durch die von den Pflanzen ausgeschiedenen Nährstoffe anzuziehen und anzusiedeln. Momentan ist unklar, ob es gelingen kann, nur die "guten" Mikroorganismen durch die Exudation zu rekrutieren, oder ob auch Pathogene die Extraportion Nährstoffe für sich nutzbar machen.

Kontrolle der Bakterienpopulationen: das „population engineering“

Ein weiteres Beispiel von „ecological engineering“ ist das sogenannte „population engineering“. Wieder stehen Mikroorganismen im Zentrum des Ansatzes. Nicht als einzelne Spezies, sondern als Populationen. Bakterien sind in der Lage, die Anzahl ihrer Artgenossen an einem Standort zu überwachen. Dies erreichen sie, indem sie bestimmte Chemikalien (Signalmoleküle) freisetzen. Die Konzentration dieser hochspezifischen Stoffe steht in direktem Zusammenhang mit der Zelldichte. Bakterien haben Rezeptoren für diese Chemikalien und leiten daraus die Zelldichte in ihrer Umgebung ab. Dieses natürliche Phänomenon wird „Quorum sensing“ genannt. Pathogene Bakterien nutzen zum Beispiel das „Quorum sensing“, um abzuwarten, bis sie eine bestimmte Zelldichte erreicht haben, um dann eine Pflanze oder ein Tier anzugreifen.

Eine weitere Möglichkeit, Pflanzenfeinden gezielt und schonend entgegenzuwirken beruht auf sogenanntem „Quorum quenching“, was quasi das Gegenteil des „Quorum sensing“ darstellt. Beim „Quorum quenching“ versuchen Forscher, die Signalmoleküle der Mikroben zu verändern oder ihre Funktion zu stören, damit Bakterien ihre Zelldichte nicht mehr wahrnehmen können. So werden Bakterienpopulationen von Krankheitserregern durch das direkte Eingreifen in der Rhizosphäre unwirksam gemacht, ohne die schädlichen Zellen bekämpfen zu müssen. Es werden lediglich die Kommunikationswege der unerwünschten Bakterien gestört.

Steuerung der Wurzelarchitektur

Von besonderer Bedeutung für die Rhizosphäre ist die Architektur der Wurzeln. Pflanzen sind mit ihrem Standort verwachsen. Sie brauchen gesunde Wurzeln, um gut verankert zu sein (mechanische Funktion) und Nährstoffe effektiv aufnehmen (physiologische Funktion) zu können. Die Verzweigung der Wurzeln, um nicht nur tief, sondern auch breit in den Boden einzudringen, ist dabei wichtig.

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Pflanzen reagieren auf externe (z.B. Nährstoffgehalte oder toxische Verbindungen) als auch auf interne Signale (z.B. Wasser- oder Nährstoffbedarfe der Blätter). Diesen Erfordernissen passen sie ihre Zellteilung und das Zellwachstum an. Phytohormone wie Auxin und Ethylen, flüchtige Kohlenwasserstoffe, Temperatur, Nährstoffgehalt im Boden und Bodenmikrobiom spielen hierbei eine Rolle. Wenn man genau versteht, wie Wurzeln wachsen und sich verzweigen, kann man schlussendlich Signale in der Rhizosphäre freigeben, die die gewünschten Effekte hervorrufen. So wurden Stämme der Bakterienspezies Pseudomonas erfolgreich eingesetzt, um das Wachstum der Hauptwurzeln der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) zu unterdrücken und die Bildung von Seitenwurzeln und Wurzelhaaren voranzutreiben.

Der Paradigmenwechsel zum Holobionten  

Der Durchbruch der neuen Herangehensweisen liegt in der Betrachtung der Rhizosphäre als ganzheitliches System. In diesem Sinne ist ein Paradigmenwechsel notwendig, um die Wechselwirkungen zwischen Boden, Mikroorganismen und Pflanze in den Fokus zu stellen. Der entscheidende Begriff lautet „Holobiont“.

Komplexe Fragestellungen fordern komplexe Lösungen

Das Ziel, durch das Designen der Rhizosphäre das Pflanzenwachstum, die Qualität und Höhe der Erträge zu verbessern, bleibt aufgrund der chemischen und biologischen Komplexität des Bodens ein schwieriges Unterfangen. Die vielfältigen Wechselwirkungen sind erst ansatzweise verstanden. Aufgrund ihrer Komplexität sind diese im Labor nur bedingt und in der Natur nur schwer zu erforschen. Noch immer stellt der Boden und mit diesem die Rhizosphäre eine Art Blackbox dar. Parallel zu den skizzierten Ansätzen müssen auch mögliche unbeabsichtigte Folgen bedacht und erforscht werden. So gilt es abzuklären, inwieweit Eingriffe in die Rhizosphäre unbeabsichtigte Nebeneffekte haben. Durch das Quorum quenching könnten zum Beispiel auch „gute“ Bakterienpopulationen gehemmt werden. Die Stimulierung pflanzeneigener Schutzmechanismen durch ISR könnte zur Folge haben, dass die Pflanze schlichtweg überfordert ist und kränker statt gesünder wird. Genauso muss untersucht werden, ob durch die Etablierung „trophischer Zusammenhänge“ zwischen Wurzeln und Mikroorganismen nicht auch vermehrt Pflanzenpathogene in der Rhizosphäre angereichert werden.

Nichtdestotrotz ist die Palette an Methoden und Lösungsansätzen groß und erweiterbar. Einig sind sich die Wissenschaftler, was die grundsätzlichen Möglichkeiten des ökologischen Engineerings angeht. Ihre Wirkung auf die Landwirtschaft könnte ähnlich bahnbrechend sein, wie die Entwicklung des Haber-Bosch-Verfahrens vor ca. 100 Jahren, das heute eine Voraussetzung für die hohe Produktivität der Landwirtschaft, zugleich aber auch als Ursache vieler Nebenwirkungen gilt. Die Hoffnung der Forscher ist, dass durch die Nutzung natürlicher Systeme die positiven Effekte mögliche Nachteile nicht nur übersteigen, sondern Letztere aus der Welt schaffen werden.