Stickstoffnutzung

Stickstoff ist für alle Pflanzen ein lebenswichtiges Element. Doch die meisten Pflanzen können Stickstoff nicht direkt aus der Luft aufnehmen und sind daher auf Dünger angewiesen. Eine Ausnahme bilden Hülsenfrüchtler wie Linsen, Erbsen oder Sojabohnen. Diese Pflanzenarten gehen an ihren Wurzeln Symbiosen mit Knöllchenbakterien (Rhizobien) ein. Die Bakterien fixieren Stickstoff aus der Luft und geben ihn an die Pflanze ab. Diese revanchiert sich mit Zucker – ein gegenseitiges Geben und Nehmen, das beiden Seiten zugutekommt.

In einer neuen Studie zeigen Forschende vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung, der Universität zu Köln und der Universität Kopenhagen, dass diese Symbiose vollständig aus dem Gleichgewicht gerät, wenn eine entscheidende Barriere innerhalb der Pflanzenwurzeln fehlt: der Casparische Streifen (CS). Diese undurchdringliche Schicht aus Lignin und Endodermin zieht sich um die Leitbündel und durch die gesamte Pflanzenwurzel. Sie ermöglicht es, dass Pflanzen Knöllchen ausbilden können und dass sie bei der Symbiose mit stickstofffixierenden Bakterien nicht benachteiligt werden.

Knöllchenbildung nur dank guter Kommunikation

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Pflanzen gehen eine Symbiose mit Knöllchenbakterien nur dann ein, wenn im Boden Stickstoffmangel herrscht. In solchen Fällen senden die Wurzeln ein Peptid namens CEP1 an die Blätter. Dies führt über mehrere Zwischenschritte zur Deaktivierung des Gens „Too Much Love“ (TML) in den Wurzeln. Erst dann kann die Knöllchenbildung beginnen, und die Pflanze wird besser mit Stickstoff versorgt. Der Casparische Streifen bildet sich etwa zur gleichen Zeit wie die ersten Knöllchen. Doch sind diese beiden Prozesse tatsächlich miteinander verbunden?

Um das herauszufinden, führten die Forschenden Experimente mit dem Japanischen Hornklee (Lotus japonicus) durch, ebenfalls ein Hülsenfrüchtler. Sie erzeugten Knockout-Mutanten, denen für die Bildung des Casparischen Streifens essenzielle Gene fehlten. Diese Mutanten entwickelten Knöllchen deutlich langsamer als der Wildtyp. Während die Knöllchenbildung bei Wildtyp-Pflanzen direkt nach der Inokulation mit Knöllchenbakterien einsetzte, geschah dies bei den Knockout-Mutanten nur in sechs bis 23 Prozent der Fälle. Außerdem waren die Bakterien in diesen Knöllchen weniger aktiv: Sie fixierten wesentlich weniger Stickstoff als ihre Gegenstücke bei Wildtyp-Pflanzen.

Casparischer Streifen wichtig für Symbiose

Weitere Experimente zeigten, dass eine fehlgeleitete Kommunikation zwischen Wurzeln und Spross für dieses Verhalten verantwortlich war. Ohne Casparischen Streifen wurde nicht genug CEP1 produziert. Infolgedessen erhielten die Wurzeln kein Signal, um die Knöllchenbildung einzuleiten.

Auch innerhalb der Knöllchen selbst spielt der Casparische Streifen eine Rolle. Dort kontrolliert er, welche Nährstoffe den Besitzer wechseln. Ist ein Casparischer Streifen vorhanden, bleibt der Handel zwischen Pflanze und Bakterien ausgewogen. Ohne ihn hingegen fließt Zucker aus der Pflanze unkontrolliert in die Knöllchen. Die Bakterien profitieren davon, behalten jedoch die so wichtigen Stickstoffverbindungen für sich.

Wichtige Erkenntnisse für Landwirtschaft und Ökosysteme

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„Die Studie liefert neue Erkenntnisse darüber, wie Pflanzen und Mikroben miteinander interagieren, und etabliert ein neues Modellsystem, um zu untersuchen, wie eine vorteilhafte Partnerschaft auf engstem Raum stattfinden kann“, sagt Tonni Grube Andersen vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln, der die Studie geleitet hat.

Diese Ergebnisse könnten auch für Landwirtschaft und Ökosysteme von Bedeutung sein. Je mehr wir über die Symbiose zwischen Knöllchenbakterien und Pflanzen lernen, desto wahrscheinlicher wird es, dass wir diese Partnerschaft gezielt zu unserem Vorteil nutzen können. Seit Jahren versuchen Forschende, auch andere Nutzpflanzen zur Symbiose mit Knöllchenbakterien zu bringen – mit potenziell großem Effekt.

Derzeit werden in Deutschland etwa 60 Kilogramm Stickstoffdünger pro Hektar ausgebracht. Obwohl dies eine deutliche Reduzierung im Vergleich zu den 1990er Jahren darstellt, wird der überschüssige Stickstoff weiterhin ausgewaschen und belastet Böden, Grundwasser und Gewässer. Gleichzeitig ist die Herstellung von Stickstoffdünger äußerst energieintensiv. Neue Ansätze, die Abhängigkeit von Stickstoffdünger zu verringern, sind daher von besonderer Bedeutung.

Quelle:
Defeng Shen et al.: Apoplastic barriers are essential for nodule formation and nitrogen fixation in Lotus japonicus. In: Science (20. März 2025). DOI: 10.1126/science.ado8680

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Titelbild: Der Casparische Streifen (rot gefärbt) umgibt kreisförmig die zentralen Leitbündel. Er verhindert, dass Nährstoffe ungehindert durch die Zellen diffundieren. Er hat aber noch eine weitere wichtige Aufgabe. (Bildquelle: © Berkshire Community College Bioscience Image Library / Wikipedia, CC0)