Landwirtschaft, Gülledüngung

Effizientere Nutzung von Stickstoff: Vorbild Leguminosen

Pflanzen benötigen Stickstoff, einen zentralen Baustein vieler biologischer Moleküle. Der großflächige Einsatz synthetischer Stickstoffdünger seit Mitte des 20. Jahrhunderts hat für erhebliche Ertragssteigerungen in der Landwirtschaft gesorgt, aber auch Umweltschäden mit sich gebracht. Pflanzenforscher arbeiten daran, dass Kulturpflanzen Stickstoff besser aufnehmen und verwerten können. Das Fernziel sind Grundnahrungspflanzen, die Stickstoff aus der Luft nutzen können.

Pflanzen benötigen Stickstoff, einen zentralen Bestandteil von Proteinen und Chlorophyll. Eigentlich kommt Stickstoff häufig vor: Als Gas macht er 78 Prozent der Lufthülle der Erde aus. Pflanzen können ihn aber in dieser Form nicht nutzen, sondern nur in Form von Nitrat- oder Ammonium-Ionen. Für den Anbau von Nutzpflanzen müssen diese Verbindungen dem Boden ständig zugeführt werden.

Ackerbohne

Gründüngung: Leguminosen wie Futtererbse (oben), Ackerbohne, Klee und Lupine leben in Symbiose mit bestimmten Bakterien, die Stickstoff aus der Luft erschließen können. Heute sind sie meist aus der Fruchtfolge verschwunden. Der von anderen Pflanzen benötigte Stickstoff wird durch Düngung bereitgestellt.

Zaunwicke

Wurzelknöllchen bei der Zaunwicke, einer anderen Leguminose. In den Knöllchen leben Bakterien, die Stickstoff aus der Luft in eine für Pflanzen nutzbare Form überführen.

Foto: Frank Vincentz, CC-BY-SA 3.0

Mais, Stickstoff

Feldversuch in Tansania: Im Projekt Improved Maize for African Soils werden Maislinien gezüchtet, die Stickstoff effizienter aufnehmen und verwerten können.

Foto: F. Sipalla, CIMMYT, CC-BY-NC-SA 2.0

Traditionelle Methoden sind die Düngung mit Gülle und Mist sowie Fruchtfolgen mit Futtererbse, Ackerbohne, Klee oder Lupine. Solche Leguminosen bilden Symbiosen mit bestimmten Bodenbakterien, den Rhizobien. Diese Bakterien können Stickstoff aus der Luft zu Ammoniak bzw. Ammonium-Ionen verarbeiten. Bis Mitte des 20. Jahrhunderts war es deshalb üblich, Leguminosen regelmäßig als Zwischenfrucht („Gründünger“) anzubauen.

Das änderte sich, als synthetische Stickstoffdünger allgemein verfügbar und erschwinglich wurden. Ihr Einsatz hat zu erheblichen Ertragssteigerungen beigetragen, aber auch zu Umweltproblemen: Überschüssiger Stickstoff gelangt als Nitrat ins Grundwasser und in Gewässer, wo es zu einer Überdüngung und zum Absterben vieler Organismen kommen kann. Zudem wandeln Bodenbakterien Stickstoffverbindungen zu Lachgas um, das die Ozonschicht schädigt. Die Herstellung synthetischer Dünger ist außerdem sehr energieaufwändig.

Züchtungsziele bei Pflanzen: Bessere Erschließung und Nutzung von Stickstoff

Pflanzenforscher arbeiten daran, dass Kulturpflanzen Stickstoff besser aufnehmen und verwerten können. Die US-Firma Arcadia Biosciences hat Reispflanzen gentechnisch so verändert, dass sie bei Stickstoffknappheit mehr Aminosäuren produzieren. In Feldversuchen auf stickstoffarmen Böden nahmen diese Pflanzen mehr Stickstoff auf und erbrachten höhere Erträge als die Vergleichspflanzen. Auch Weizen, Sojabohne, Baumwolle, Zuckerrübe und Zuckerrohr wurden entsprechend gentechnisch verändert.

Seit einigen Jahren weiß man, dass Pflanzen nicht nur Ammonium- und Nitrat-Ionen, sondern auch Aminosäuren aus verrottendem organischen Material als Stickstoffquelle nutzen können. An der Schwedischen Universität für Agrarwissenschaften (Sveriges lantbruksuniversitet) haben Wissenschaftler in Gerste zwei Gene aus der Ackerschmalwand eingebracht, mit deren Hilfe die Aufnahme von Aminosäuren aus dem Boden effizienter werden soll. Zwischen 2012 und 2016 wurde diese in Freilandversuchen getestet. Darin zeigte sich, dass die Aufnahme von Aminosäuren durch die neuen Gene nicht deutlich gesteigert war. Die Forscher konnten aber ein anderes Gen identifiziert, mit dem sie nun versuchen, die Stickstoffaufnahme zu verbessern.

Andere Forscher beschäftigen sich mit dem Enzym Nitrogenase, welches in Bakterien für die Stickstofffixierung zuständig ist. Man versucht, das Nitrogenase-Gen aus Bakterien auf Pflanzen zu übertragen. Das Problem bei der Nitrogenase ist allerdings, dass es sich um ein sehr komplexes Protein handelt, welches nur in sauerstoffarmer Umgebung aktiv ist. Pflanzenzellen enthalten aber reichlich Sauerstoff. Cyanobakterien und einige andere Organismen haben Wege entwickelt, mit denen die Nitrogenase auch in sauerstoffreicher Umgebung arbeiten kann. Nun untersuchen Wissenschaftler, welcher dieser Wege der beste ist und wie man die beteiligten Gene in Pflanzen übertragen kann.

Doch könnten nicht auch andere Kulturpflanzen außer Leguminosen eine Symbiose mit Rhizobien eingehen? Seit langem wird untersucht, welche pflanzlichen Stoffwechselvorgänge daran beteiligt sind. Inzwischen weiß man, dass sie zu großen Teilen den Stoffwechselvorgängen gleichen, die an der Ausbildung von Mykorrhiza beteiligt sind, einer Symbiose mit Pilzen, zu der die meisten Landpflanzen fähig sind. Forscher vom John Innes Centre im britischen Norwich nehmen diese Stoffwechselwege, die in den meisten Pflanzen ohnehin vorhanden sind, als Grundlage und versuchen sie mit gentechnischen Methoden so zu verändern, dass auch Nicht-Leguminosen wie Getreidepflanzen in die Lage versetzt werden, Symbiosen mit Rhizobien einzugehen.

Ein Züchtungsprogramm für Afrika: Stickstoffeffizienter Mais

In den Ländern Afrikas südlich der Sahara haben Landwirte in besonderem Maße damit zu kämpfen, dass die Böden ausgelaugt und nährstoffarm sind, man sich synthetischen Dünger aber kaum leisten kann.

Seit 2010 arbeiten deshalb das International Maize and Wheat Improvement Center (CIMMYT), das Kenya Agricultural Livestock and Research Organization (KARI), der südafrikanische Agricultural Research Council (ARC) und die Firma DuPont-Pioneer in dem Forschungsprogramm Improved Maize for African Soils (IMAS) zusammen.

Maislinien, die seit langem für den Anbau in Afrika optimiert sind, sollen züchterisch so verändert werden, dass sie Stickstoff besser aufnehmen und verwerten können. Dabei kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz, von der klassischen Züchtung über die markergestützte Selektion (Smart Breeding) bis hin zu gentechnischen Methoden.

Für das Saatgut sollen Kleinbauern keine Lizenzgebühren zahlen. Die ersten konventionell gezüchteten Linien wurden 2013in Kenia, Tansania und Simbabwe zugelassen. Mit transgenen Linien wird etwa ab 2020 gerechnet.