Landwirtschaft, Gülledüngung

Stickstoff besser verwerten: Damit Pflanzen mit weniger Dünger auskommen

Ohne Stickstoff kommen Pflanzen nicht aus. In der Luft gibt es davon zwar genug, doch die meisten Pflanzen können ihn nicht direkt verwerten. Sie müssen ihn in chemisch anderer Form aus dem Boden aufnehmen. Das gelingt nur schlecht und es muss Stickstoff zugeführt werden - als Gülle oder Künstdünger. Doch zu viel davon belastet die Umwelt. Daher arbeiten Forscher daran, dass Kulturpflanzen Stickstoff effizienter aufnehmen und verwerten können. Auch Mikroorganismen können dazu beitragen.

Pflanzen sind auf Stickstoff angewiesen, ein zentraler Bestandteil von Proteinen, Nukleinsäuren und Chlorophyll. Eigentlich herrscht an Stickstoff kein Mangel: Als Gas macht er 78 Prozent der Lufthülle der Erde aus. Pflanzen können ihn so aber nicht nutzen, sondern nur in chemisch anderer Form als Nitrat- oder Ammonium-Ionen. Doch von diesen Stickstoffverbindungen gibt es im Boden nicht genug. Sie müssen von außen zugeführt werden - als organischer (Mist, Gülle, Klärschlamm) oder mineralischer Dünger (Salpetersalze, Kunstdünger). Wenn die Pflanzen nicht genug Stickstoff bekommen, wachsen sie schlecht und die Ernten fallen mager aus.

Ackerbohne

Gründüngung: Leguminosen wie Futtererbse (oben), Bohnen, Klee und Lupine leben in Symbiose mit bestimmten Bakterien, die Stickstoff aus der Luft erschließen können. Heute sind sie meist aus der Fruchtfolge verschwunden.

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.

Großes Foto oben: iStockphoto

Gedüngt wird in der Landwirtschaft schon immer - traditionell mit Mist, Gülle oder Fäkalien, aber auch durch Fruchtfolgen mit Futtererbse, Ackerbohne, Klee oder Lupine. Solche Leguminosen besitzen eine erstaunliche Fähigkeit: Sie bilden Symbiosen mit bestimmten Bodenbakterien, den Rhizobien. Diese Bakterien können Stickstoff aus der Luft zu Ammoniak bzw. Ammonium-Ionen verarbeiten und so für die Pflanzen verfügbar machen. Im Gegenzug erhalten die Rhizobien bestimmte Nährstoffe. Lange Zeit war es deshalb üblich, Leguminosen regelmäßig als Zwischenfrucht anzubauen und als „Gründünger“ in den Boden einzuarbeiten.

Kurz vor dem ersten Weltkrieg gelang es, in einem aufwändigen technischen Verfahren (Haber-Bosch) den Luft-Stickstoff in Form von Ammoniak zu binden - Grundstoff für synthetische Stickstoff-Düngemittel, die nun unbegrenzt verfügbar und erschwinglich wurden. Ihr Einsatz hat zu erheblichen Ertragssteigerungen in der Landwirtschaft beigetragen, aber auch zu Umweltproblemen: Nur 30 bis 50 Prozent des ausgebrachten Düngers werden tatsächlich von den Pflanzen aufgenommen. Der überschüssige 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 zu Treibhauseffekt und Klimawandel beiträgt. Die Herstellung synthetischer Dünger ist außerdem sehr energieaufwändig.

Gleich, ob Mist, Gülle oder Kunstdünger - nur ein Teil des ausgebrachten Stickstoffs kommt in den Pflanzen an. Um die Stickstoff-Überschüsse zu verringern, arbeiten Forscher intensiv an Kulturpflanzen, welche die Stickstoffverbindungen aus dem Boden besser und effektiver verwerten können. Allerdings ist diese Eigenschaft ein sehr komplexer Prozess, an dem viele verschiedene Gene beteiligt sind, welche untereinander und mit der Umwelt interagieren. Allein durch Hinzufügen oder Veränderung einzelner Gene ist es schwierig, stickstoffeffizientere Pflanzen zu entwickeln. Neben vereinzelten gentechnischen Ansätzen kommen daher vor allem klassische Züchtung und markergestützte Selektion (Smart Breeding) zum Einsatz. Andere Projekte beschäftigen sich mit Wachstum und Form der Wurzeln, die bei der Stickstoffaufnahme eine wichtige Rolle spielen.

Pflanzenforschung: Mehr Stickstoff-Effizienz

Gerade die hochertragreichen Reis- und Weizensorten, die seit Mitte des 20. Jahrhunderts gezüchtet wurden („Grüne Revolution“), sind auf viel Dünger angewiesen, da die hohen Erträge häufig mit einer verminderten Fähigkeit zur Stickstoffaufnahme einhergehen. Chinesische Wissenschaftler haben jetzt einen Weg aufgezeigt, diesen Nachteil auszugleichen.

In Reispflanzen entdeckten sie, dass ein bestimmtes Protein (Transkriptionsfaktor OsGRF4) eine bisher nicht bekannte Rolle bei der Stickstoffaufnahme der Pflanzen spielt. Je mehr von diesem speziellen Protein vorhanden ist, desto größer ist die Stickstoffeffizienz. Die Wissenschaftler veränderten ertragreiche Reissorten mit gentechnischen Verfahren so, dass das Protein in größeren Mengen produziert wird. Und sie hatten damit Erfolg: Diese Pflanzen lieferten weiterhin hohe Erträge, konnten aber gleichzeitig Stickstoff besser aufnehmen. Bei solchen Reis- und Weizensorten könnte somit die Düngung mit Stickstoff deutlich reduziert werden.

Damit sei ein Weg aufgezeigt, so das Wissenschaftsmagazin Nature, „den Anbau von Hochertragssorten nachhaltig zu verbessern.“ Die ermutigenden Ergebnisse der Chinesen sollten „die Entdeckung anderer Gene und Moleküle anregen, die in der Stickstoffnutzung eine Rolle spielen. Auf diese Weise neue Ziele für Zuchtstrategien zu identifizieren, könnte eine neue grüne Revolution einleiten.“

Schon länger arbeitet die US-Firma Arcadia Biosciences an einer verbesserten Stickstoffeffizienz von Pflanzen. So hat sie in das Genom von Rapspflanzen ein Gen (AlaAT) aus Gerste eingeführt, welches eine wichtige Rolle bei der Verwertung von Stickstoff spielt. In Feldversuchen erbrachten die gentechnisch veränderten (gv) Pflanzen bei Stickstoffknappheit über 40 Prozent mehr Erträge als die konventionellen Vergleichspflanzen. Ähnliche Projekte laufen bei Weizen, Reis, Sojabohnen, Baumwolle, Zuckerrohr und -rüben. Einige davon hat Arcadia in Feldversuchen getestet, doch kommerzielle Sorten mit gentechnisch verbesserter Stickstoffeffizienz sind bisher nicht in Sicht.

Andere Forscher versuchen das Enzym Nitrogenase, welches in Bakterien für die Stickstofffixierung zuständig ist, auf Pflanzen zu übertragen. Das Problem dabei ist, dass das Enzym nur in sauerstoffarmer Umgebung aktiv ist. Pflanzenzellen enthalten allerdings 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.

Mikrobiom: Knöllchenbakterien für alle

Leguminosen, zu denen etwa Bohnen, Erbsen oder Klee gehören, leben in Symbiose mit Rhizobien (Knöllchenbakterien) und werden durch diese mit Stickstoff versorgt. Daher kommen diese Pflanzen in der Regel ohne zusätzliche Stickstoffdüngung aus. Wissenschaftler gehen daher der Frage nach, ob außer Leguminosen nicht auch andere Kulturpflanzen dazu in der Lage sein könnten.

Die Ausbildung dieser Symbiose ist jedoch ein sehr komplexer Vorgang. 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 anderer Ansatz zielt direkt auf die Mikroorganismen im Wurzelbereich (Mikrobiom). Mit Hilfe moderner Hochdurchsatz-Sequenzierverfahren will man in der unerschöpflichen Vielfalt der Bodenmikroben genau jene Spezialisten ausfindig machen, welche die Fähigkeit besitzen, Stickstoff aus der Luft zu binden. Solche Mikroben sollen - auch mit den Konzepten der synthetischen Biologie - optimiert werden, so dass sie auch Mais oder Getreide mit Stickstoff versorgen können. Joyn Bio, ein gemeinsames Unternehmen von Bayer und Gingko Bioworks, will mit dieser Strategie den „Bedarf an traditionellem, synthetischen Stickstoffdünger für Getreidekulturen deutlich - um ein Drittel und mehr - reduzieren.“