Düngerfabrik in den Wurzeln

Knöllchenbakterien in Pflanzenwurzel

Knöllchenbakterien (blau) in einer Pflanzenwurzel. Braun sichtbar sind pflanzliche Proteine. Die Farben wurden der Elektronenmikroskopaufnahme nachträglich hinzugefügt.

ETH Zürich / Anne Greet Bittermann

Soja und Klee
In ihren Wurzeln produzieren Soja und Klee mittels Bakterien Ammonium. Das ist schon länger bekannt. Nun konnten Wissenschaftler erstmals den Wirkungsmechanismus im Detail beschreiben.

Die neuen Erkenntnisse könnten helfen, mit Biotechnologie die Landwirtschaft nachhaltiger zu gestalten, schreibt die ETH Zürich in den ETH News. Die Pflanzen benötigen für ihr Wachstum Stickstoff in Form von Ammonium. Viele Kulturpflanzen müssen deshalb gedüngt werden. Wenige Pflanzen können das Ammonium aber selbst produzieren. In deren Wurzeln leben Bakterien, die Stickstoff aus der Luft in Ammonium umwandeln können.

Das Zusammenspiel zwischen Pflanze und Bakterien ist komplexer als bisher gedacht, wie ETH-Forschende herausgefunden haben. Die Bakterien beziehen von der Pflanze neben Kohlestoff auch die stickstoffreiche Aminosäure Arginin. «Obschon die Stickstofffixierung der Knöllchenbakterien seit vielen Jahrzehnten untersucht wird, war das Wissen unvollständig», sagt Co-Studienleiter Beat Christen, Professor für experimentelle Systembiologie, laut Mitteilung. «Unsere neuen Erkenntnisse werden es ermöglichen, die Abhängigkeit der Landwirtschaft vom Ammoniumdünger zu verringern und damit die Landwirtschaft nachhaltiger zu gestalten.»

Die Erkenntnisse liefern laut den Forschern eine neue Sicht auf die Koexistenz von Pflanzen und Knöllchenbakterien. «Anders als häufig dargestellt, ist diese Symbiose nicht geprägt von einem freiwilligen Geben und Nehmen. Vielmehr nutzen sich die beiden Partner aus, wo es nur geht», sagt Co-Studienleiter Matthias Christen vom Institut für molekulare Systembiologie..

Bakterien im Überlebenskampf
Wie die Wissenschaftler zeigen konnten, legen Soja und Klee ihren Knöllchenbakterien nicht den roten Teppich aus, sondern empfangen sie wie einen Krankheitserreger: Die Pflanzen versuchen den Bakterien den Sauerstoff abzudrehen und setzen sie einem sauren Umfeld aus. Die Bakterien rackern sich ab, um in diesem unwirtlichen Milieu zu überleben. Sie nutzen das Arginin der Pflanzen, weil sie dank diesem auf einen Stoffwechsel umstellen können, für den sie nur wenig Sauerstoff benötigen.

Um die saure Umgebung zu neutralisieren, übertragen die Mikroben sauermachende Protonen auf Stickstoffmoleküle aus der Luft. Dadurch entsteht Ammonium, welches sie sich vom Hals schaffen, indem sie es aus der Bakterienzelle schleusen und somit an die Pflanze geben. «Das für die Pflanze so wertvolle Ammonium ist für die Bakterien also bloss ein Abfallprodukt aus ihrem Überlebenskampf», sagt Beat Christen.

Die Wissenschaftler vermuten, dass die neuen Erkenntnisse nicht nur für Klee und Soja gelten, sondern dass die Stoffwechselwege bei den anderen Hülsenfrüchtlern ähnlich ablaufen.

Kommentare (0)