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. Sie benötigen ihn, um damit komplexe Moleküle zu bauen - Proteine, Nukleinsäuren oder den grünen Blattfarbstoff 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 Bakterien, die Stickstoff aus der Luft erschließen können. Heute sind sie meist aus der Fruchtfolge verschwunden.

Zaunwicke

Wurzelknöllchen. Darin leben Millionen von Bakterien, die der Pflanze Stickstoff liefern. Im Gegenzug bekommen sie von ihr Zucker.

Stickstoff-Kreislauf

Stickstoff-Kreislauf. Nicht nur Knöllchenbakterien, auch frei im Boden lebende Bakterien können Stickstoff aus der Luft (N2) in Stickstoffverbindungen umwandeln, die für Pflanzen verwertbar sind. (Animationen zum Stickstoffkreislauf im >Video)

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 Pflanze verfügbar machen. Im Gegenzug erhalten die Rhizobien von der Pflanze Zucker. Leguminosen kommen in der Regel ohne zusätzliche Stickstoffdüngung aus. 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.

Pflanzen effizienter mit Stickstoff zu versorgen, um Dünger einzusparen und Stickstoffüberschüsse im Boden und in den Gewässern zu verringern, ist deshalb ein wichtiges Ziel in Pflanzenforschung und -züchtung.

Selbstdüngendes Getreide

Ein großer Forschungsverbund (ENSA: Engineering Nitrogen Symbiosis for Africa) unter der Leitung des britischen Sainsbury Laboratoriums und der Universität Cambridge beschäftigt sich mit der faszinierenden Symbiose zwischen Pflanzen und Stickstoff fixierenden Bakterien. Diese Symbiose können nur Hülsenfrüchtler, andere Pflanzen haben diese Fähigkeit im Laufe der Evolution verloren. In zahlreichen Projekten wird der Frage nachgegangen, ob außer Leguminosen nicht auch andere Kulturpflanzen wieder zu einer solchen Symbiose in der Lage sein könnten. Zunächst soll Gerste dazu gebracht werden, Knöllchenbakterien als Partner zu akzeptieren.

Auch ein Team der Universität Freiburg ist an diesem Forschungsvorhaben beteiligt. Im Fokus stehen hier vor allem die Signalprozesse und -wege, die die Symbiose ermöglichen. Die Frage ist: Wie freunden sich Hülsenfrüchtler mit Knöllchenbakterien an? Für die Symbiose muss das Bakterium in die Pflanzenzelle eindringen. Das erlaubt die Zelle aber nur dann, wenn die Chemie zwischen beiden Partnern stimmt. Erst dann schalten die Wurzelzellen der Pflanze auf Symbiose-Modus und umschließen das Bakterium. Das Freiburger Team konnte bereits ein Protein (SYFO1) nachweisen, dass dabei eine Schlüsselrolle spielt. (Mehr dazu im Video.)

Die Ausbildung einer solchen Symbiose - von der „Eintrittserlaubnis“ bis hin zur Knöllchenbildung - ist ein sehr komplexer Vorgang, an dem viele Gene beteiligt sind. Seit langem wird untersucht, welche pflanzlichen Stoffwechselvorgänge daran beteiligt sind. Inzwischen weiß man, dass sie zu großen Teilen den Stoffwechselprozessen gleichen, die an der Ausbildung der Mykorrhiza beteiligt sind, einer Symbiose mit Pilzen, zu der die meisten Landpflanzen fähig sind. Damit ist schon eine Grundausstattung für die Symbiose vorhanden und es geht nun darum, herauszufinden, was ist bei der Symbiose mit Knöllchenbakterien anders und welche Gene sind beteiligt.

Mikrobiom: Bakterien im Wurzelraum optimieren

Nicht nur die Knöllchenbakterien können Luftstickstoff binden und für die Pflanzen verfügbar machen, das können auch andere Bodenbakterien. Deshalb zielt ein weiterer Ansatz direkt auf die Mikroorganismen im Wurzelbereich (Mikrobiom).

Mit Hilfe moderner Hochdurchsatz-Sequenzierverfahren werden in der unerschöpflichen Vielfalt der Bodenmikroben genau jene Spezialisten ausfindig gemacht, welche die Fähigkeit besitzen, Stickstoff aus der Luft zu binden. Solche Mikroben sollen - etwa 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 synthetischem Stickstoffdünger für Getreidekulturen deutlich reduzieren.

Präparate mit Bakterien, die effizient Stickstoff binden, finden sich auch bereits auf dem Markt. So bietet die Firma Indigo ein solches Produkt an, das auch im ökologischen Anbau einsetzbar ist. Die Anwendung kann sowohl über eine Saatgutbeizung als auch über das direkte Ausbringen auf den Boden erfolgen.

Mehr Stickstoff-Effizienz bei Pflanzen

Es wird auch intensiv daran geforscht, wie Kulturpflanzen die Stickstoffverbindungen aus dem Boden effizienter aufnehmen und verwerten können. 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 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.

Schon länger arbeitet die US-Firma Arcadia Biosciences an einer verbesserten Stickstoffeffizienz von Pflanzen. So hat sie in das Genom von Reispflanzen 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, 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.