Unterirdischer Nährstoffhandel

Bäume sind gute Netzwerker

25.04.2016 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Netzwerken im Untergrund: Unter der Erde befindet sich ein dichtes Geflecht aus Baumwurzeln und Pilzfäden. (Bildquelle: © hecke71/Fotolia.com)
Netzwerken im Untergrund: Unter der Erde befindet sich ein dichtes Geflecht aus Baumwurzeln und Pilzfäden. (Bildquelle: © hecke71/Fotolia.com)

Anlässlich des Tag des Baumes, 25. April, widmen wir uns heute Bäumen und ihren unterirdischen Tauschpartnern: Waldböden durchzieht ein dichtes Geflecht aus Wurzeln und Pilzen, durch das Bäume untereinander Kohlenhydrate in großen Mengen austauschen. Das ist das Ergebnis einer neuen Studie. Dass diese unterirdischen Netzwerke komplexere Systeme als bisher angenommen sind, zeigt auch eine zweite Studie. Dieser zufolge, regulieren Pflanzen ihre Handelsbeziehungen mit den Pilzen aktiv. Sind sie mit mehreren Pilzpartnern verbunden und stellt sich einer beim Handel von Nährstoffen gegen Kohlenhydrate als geizig heraus, schrauben Pflanzen gezielt die Versorgung an diesen Pilz herunter. Dadurch zwingen Pflanzen den Pilz mehr Nährstoffe zu liefern.

Fast alle Landpflanzen haben eine ganz besondere Beziehung zu Pilzen: Sie verbünden sich mit ihnen. Die Pilze liefern ihren Wirtspflanzen Wasser und Nährstoffe, wie Phosphor in Form von Phosphat. Im Gegenzug versorgen Pflanzen die Pilze mit Kohlenhydraten, die sie durch Photosynthese erzeugen. Diese Partnerschaft wird auch Mykorrhiza genannt und ist eine Form der mutualistischen Symbiose, d. h. einer Beziehung, von der beide Partner profitieren. Ein lukrativer Deal für die Pflanzen, denn sie können bis zu 80 Prozent ihres Stickstoff- und Phosphorbedarfs durch die Pilzbeziehung decken.

Netzwerken im Untergrund

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Waldbäume tauschen Kohlenstoff in großen Mengen über ihre Wurzeln mit Nachbarbäumen aus. Der Austausch verläuft über Pilzfäden im Boden. Das ist das Ergebnis einer Studie, für die Forscher von einem Baukran aus mit Schläuchen die Kronen von Fichten mit markiertem Kohlendioxid begasten.

Bildquelle: © Universität Basel, Forschungsgruppe C. Körner

Die feinen Pilzfäden (Hyphen) gehen im Boden ein komplexes Netzwerk mit den Pflanzenwurzeln ein. Dabei dringen die Hyphen entweder in die pflanzlichen Zellen ein (Endomykorrhiza) oder sie bilden ein dichtes Hyphennetz um die Wurzelenden (Ektomykorrhiza). Dass diese unterirdischen Ökosysteme noch viel komplexer und vielfältiger sind als vermutet, legen zwei aktuelle Studien dar.

Bäume tauschen Kohlenstoff untereinander aus

Mykorrhizapilze können sich gleichzeitig mit mehreren Pflanzen aus ihrer Umgebung verknüpfen und bilden ein dichtes unterirdisches Netz, das Pflanzen unterschiedlicher Arten miteinander verbindet. Frühere Untersuchungen zeigten, dass Baum-Keimlinge über diese Pilznetzwerke Kohlenstoff von einer Pflanze zur anderen transportieren können (Simard et al., 1997). Eine neue Studie entdeckte nun, dass mithilfe der Mykorrhizapilz-Netzwerke erhebliche Mengen an Kohlenstoff zwischen ausgewachsenen Waldbäumen, auch unterschiedlicher Arten, ausgetauscht werden.

Spur des Kohlenstoffs verfolgt

Für ihre Untersuchungen begaben sich die Forscher in ein Waldstück nahe Basel in der Schweiz. Dort nahmen sie fünf Gemeine Fichten (Picea abies) über einen Zeitraum von fünf Jahren genauer ins Visier. Ausgerüstet mit einem Kran und mehren Schläuchen begasten sie die Baumkronen der 40 Meter hohen und fast 120 Jahre alten Bäume mit markiertem Kohlendioxid. Dieses enthielt eine spezifische Mischung von Isotopen. Durch den abweichenden Anteil des schwereren 13C-Kohlenstoffatoms konnten die Forscher so den Weg des Kohlenstoffs im Baum mithilfe der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) nachverfolgen.

Erstaunt waren die Forscher als sie den markierten Kohlenstoff nicht nur in neugewachsenen Wurzeln der behandelten, sondern auch in denen unbehandelter Nachbar-Fichten sowie in den Wurzeln benachbarter Rotbuchen, Waldkiefern und Lärchen fanden. Die ausgewachsenen Waldbäume tauschten den Analysen zufolge gegenseitig Zucker aus – und das in großen Mengen. Die Forscher schätzen, dass jährlich pro Hektar das Äquivalent von 280 Kilogramm Kohlenstoff zwischen den Wurzeln der Bäume gehandelt wird. Etwa 40 Prozent des Kohlenstoffs in der Wurzel eines Baumes könnte den Forschern zufolge von dessen Nachbarn stammen. Dies entspricht etwa 4 Prozent der Nettoprimärproduktion des Waldes. Doch wie gelangen die Assimilate von einem Baum zum anderen?

Pilznetzwerk dient als Handelsweg

Das Forscherteam überprüfte, ob der markierte Kohlenstoff auch in den Pilzen nachweisbar war. In der gemäßigten Zone, dem Untersuchungsgebiet der Studie, gehen die meisten Waldbäume Beziehungen mit Ektomykorrhiza-Pilzen ein. In den Fruchtkörpern von Ektomykorrhiza-Pilzen, die nahe bei den behandelten Bäumen wuchsen, wurden die Forscher fündig. Keine Spuren des Kohlenstoffs fanden sie hingegen bei Pilzen, die keine Mykorrhiza-Beziehung mit Bäumen eingingen und bei Pilzen, die Endomykorrhiza betreiben. Auch bei kleineren Pflanzen, die unterhalb der Bäume wuchsen und denen Endomykorrhiza-Pilze als Partner dienten, fanden die Forscher keinen markierten Kohlenstoff. Dies spricht dafür, dass das Pilznetzwerk der Ektomykorrhizapilze als „Tauschleitung“ für die Bäume fungiert.

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So sehen die Verflechtungen von Pilz (blau) und Pflanzenwurzeln unter dem Mikroskop aus. Hier ist ein arbuskulärer Mykorrhizapilz abgebildet. Solche Pilze betreiben Endomykorrhiza - die feinen Pilzfäden dringen also in die Wurzelrindenzellen der Pflanzen ein.

Bildquelle: © UZH

Wettbewerber und Partner zugleich 

Pflanzen konkurrieren permanent mit anderen Pflanzen in ihrer Umgebung um Licht, Nährstoffe und Wasser. Photosynthese-Produkte, die in den Blättern hergestellt werden, gelten gemeinhin nicht als Tauschwährung. Dass solche Produkte auch gemeinsam genutzt werden und ein großer unterirdischer Kohlenstoffhandel stattfindet, war für die Forscher daher überraschend. Es zeigt, wie viel wir über die unterirdischen Ökosysteme und die Wechselwirkungen der involvierten Parteien noch nicht wissen.

Ein wichtiger nächster Schritt besteht darin, zu untersuchen, ob die Bäume von diesem Kohlenstoffaustausch tatsächlich profitieren. Darüber hinaus basierte die Studie auf der Untersuchung von 17 Bäumen in Europa. Weitere Forschung ist nötig, um herauszufinden, ob die Ergebnisse reproduzierbar und allgemeingültig, d. h. auf andere Regionen übertragbar sind. Auch gilt es zu untersuchen, wie groß die Menge an Assimilaten ist, die beim Pilz als Zwischenhändler verbleibt.

Unfaires Verhalten im Tauschhandel wird abgestraft

Erste Ansatzpunkte zur Frage, wie die Mengen an Assimilaten reguliert werden, die beim Pilz verbleiben, zeigt eine andere Studie. Diese deckte auf, dass Pflanzen in der Lage sind, ihre Handelsbeziehungen mit den Pilzen gezielt zu regeln. Dafür führten Forscher Experimente durch, in denen sie die Wurzeln einer Pflanze in zwei separaten Bereichen wachsen ließen, ein sogenanntes „Split-Root-Experiment“. Jeder Wurzelbereich enthielt einen arbuskulären Mykorrhizapilz, wovon einer „großzügig“ (Rhizophagus irregularis) und der andere „geizig“ (Funneliformis mosseae) im Handel mit der Pflanze ist. Die Pflanze war im Versuchsaufbau nicht in der Lage, Phosphor aus dem Boden zu ziehen und damit auf die Pilze als Lieferanten angewiesen. Die Forscher verfolgten dann den Weg von radioaktiv markiertem Kohlenstoff und Phosphor von Pilz zu Pflanze und umgekehrt und konnten so die Handelspartnerschaft analysieren.

Das Ergebnis: Haben Pflanzen in ihrer Umgebung sowohl großzügige als auch weniger kooperative Handelspartner, können sie die „geizigeren“ Pilze zwingen, stärker mit ihnen zu kooperieren, indem sie ihnen einfach weniger Kohlenhydrate abgeben als den guten Tauschpartnern. Die Pflanzen konnten damit den Deal zu ihren Gunsten lenken.

Wirtschaftlicher Handelspakt 

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Experimente haben gezeigt, dass Pflanzen, die die Wahl zwischen kooperativen und weniger kooperativen Pilzpartnern haben, letztere mit weniger Kohlenhydraten versorgen und damit zwingen, mehr Nährstoffe zu liefern als gewollt.

Bildquelle: © UZH

Dies funktioniert, unter wirtschaftlichen Aspekten betrachtet, wie auf einem Basar: „Die Pflanze nutzt die Konkurrenzsituation der beiden Pilze gezielt aus und löst einen quasi marktwirtschaftlichen Prozess aus, der von Preis und Leistung bestimmt wird“, erklärt der beteiligte Forscher Andres Wiemken. Da die Mykorrhiza-Pilze zum Überleben auf die Kohlenhydratversorgung der Pflanzen angewiesen sind, müssen unfaire Handelspartner - die weniger Phosphate im Tausch für Zucker liefern - durch das Verhalten der Pflanzen doch kooperativer werden.

Die Studie zeigte, dass Pflanzen die Vielfalt an Pilzen, mit unterschiedlicher Kooperationsbereitschaft, gezielt beeinflussen können, indem sie geizige Pilze zwingen, mehr zu liefern als geplant. Jedoch muss dieser Druck ausgewogen bleiben, um der Entwicklung der Pilze nicht zu schaden. Diese müssen sich gut entwickeln können, um ausreichend Nährstoffe im Boden zu erschließen. Somit könnte den scheinbar geizigen Pilzen eine ebenfalls wichtige Rolle für die Etablierung einer ausbalancierten Symbiose zukommen. Dies müsste in weiteren Experimenten erforscht und überprüft werden.

Pilz-Freundschaften sind stabil und nützlich

Pflanzen-Pilz-Gemeinschaften sind in den unterschiedlichsten Ökosystemen stabil und existieren bereits seit über 400 Millionen Jahren. Da Pflanzen durch die Pilzpartner besser wachsen können, ist die Symbiose auch für die Landwirtschaft attraktiv. Förderliche Mikroorganismen können als natürlicher Dünger fungieren. Wie komplex die Beziehungen sind und dass noch mehr Forschung zum Thema nötig ist, um das Wissen in der Praxis gezielt einzusetzen, verdeutlichen beide Studien.

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