Dünger, Weizen

Stickstoffeffizienz: Pflanzen, die mit weniger Dünger auskommen

Ohne Stickstoff kommen Pflanzen nicht aus. In der Luft gibt es davon zwar genug, doch den können die Pflanzen nicht direkt verwerten. Sie müssen ihn in anderer Form aus dem Boden aufnehmen. Erst der großflächige Einsatz von synthetischem Stickstoffdünger sorgte dann für erhebliche Ertragssteigerungen in der Landwirtschaft. Dessen Herstellung ist nicht nur extrem energieaufwändig, sondern er belastet auch die Umwelt. Daher arbeiten Pflanzenforscher daran, dass Kulturpflanzen Stickstoff besser aufnehmen und verwerten können. Ziel ist es, mit weniger Dünger auszukommen.

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 einer chemisch anderen Form als Nitrat- oder Ammonium-Ionen. Damit die Pflanzen genug davon aus dem Boden aufnehmen können, muss Stickstoff zugeführt werden - als organischer (Miste, Gülle, Klärschlamm) oder mineralischer Dünger (Salpetersalze, Kunstdünger).

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.

Großes Foto oben: Aufbringen von NPK-Mineraldünger (Stickstoff, Phosphor, Kali); oticki / 123RF

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 und so für die Pflanzen verfügbar machen. Bis Mitte des 20. Jahrhunderts war es deshalb üblich, Leguminosen regelmäßig als Zwischenfrucht („Gründünger“) anzubauen und in den Boden einzuarbeiten.

Das änderte sich, als synthetische Stickstoffdünger allgemein verfügbar und erschwinglich wurden. Ihr Einsatz hat zu erheblichen Ertragssteigerungen 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 die Ozonschicht schädigt. Die Herstellung synthetischer Dünger ist außerdem sehr energieaufwändig.

Damit die Landwirte weniger düngen müssen, arbeiten Forscher intensiv an Kulturpflanzen, welche die Stickstoffverbindungen aus dem Boden besser aufnehmen und effektiver verwerten können. Allerdings ist diese Eigenschaft ein sehr komplexer Vorgang, 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.

Gute Erträge auch mit weniger Stickstoffdünger

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 einhergeht. 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 dieses speziellen Proteins 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. Trotz viel versprechender Feldversuche hat Arcadia bisher keine stickstoffeffizienten Sorten auf den Markt gebracht.

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.

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.