Pflanzen lassen sich von Pilzen helfen

Ohne Dünger wären viele Ernten deutlich kleiner. Doch der Preis dafür ist hoch: Phosphat ist ein begrenzter Rohstoff, viele Böden sind überlastet, überschüssige Nährstoffe gelangen in Flüsse und Seen. Forscher suchen deshalb nach Pflanzen, die mit weniger Dünger besser auskommen.

Eine Studie aus Science Advances zeigt nun einen möglichen Weg. Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Pflanzenbiochemie und der Universität Bonn haben einen biologischen Schalter entdeckt, der Pflanzen länger mit nützlichen Bodenpilzen zusammenarbeiten lässt. Diese Pilze helfen den Wurzeln, mehr Phosphat und andere Nährstoffe aufzunehmen.

Pflanzen beenden die Hilfe der Pilze meist zu früh

Viele Pflanzen arbeiten mit sogenannten Mykorrhiza-Pilzen zusammen. Die feinen Pilzfäden reichen tief in den Boden und funktionieren wie ein zusätzliches Wurzelsystem. Sie transportieren Mineralstoffe und Wasser zur Pflanze. Diese Partnerschaft bringt mehrere Vorteile:

bessere Aufnahme von Phosphat
zusätzliche Versorgung mit Stickstoff, Magnesium und Kalium
stabilere Wasserversorgung bei Trockenheit

Diese Zusammenarbeit kostet Energie. Die Pilze bekommen dafür Kohlenstoff in Form von Zucker aus der Photosynthese der Pflanzen als Nahrung. Pflanzen geben laut Studie bis zu 20 Prozent ihres erzeugten Kohlenstoffs an die Pilzpartner ab. Sobald genug angereichert ist, brechen viele Pflanzen die Verbindung aber wieder ab, um Energie zu sparen.

„Dieser Aufwand ist für die Pflanze so groß, dass sie die Symbiose unterdrückt, wenn genügend Phosphat im Boden verfügbar ist“, erklärt Martina Ried-Lasi, Leiterin der Arbeitsgruppe Symbiose-Signaling am Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie.

Für die Landwirtschaft entsteht dadurch ein Problem. Denn die Pflanzen verlieren damit gleichzeitig alle Vorteile der Pilznetzwerke. Denn die Pilze verbessern ja zusätzlich die Aufnahme anderer wichtiger Nährstoffe.

„Für die Landwirtschaft werden daher Strategien gesucht, Kulturpflanzen unabhängig vom Phosphatgehalt im Boden mykorrhizieren zu können“, sagt Gabriel Schaaf von der Universität Bonn. „Unsere Studie zeigt einen möglichen Ansatz, um solche Symbiosen künftig gezielt zu fördern.“

Ein Enzym erkennt den Phosphatgehalt der Pflanze

In der Studie geht es vor allem um das Enzym VIH2. Es misst den Phosphatstatus der Pflanze und entscheidet mit, ob sie die Zusammenarbeit mit Bodenpilzen startet oder beendet. Sinkt der Wert, startet die Pflanze ein Notprogramm. Die Wurzeln verändern sich. Gleichzeitig öffnet sich die Pflanze stärker für Pilzpartner. Steigt der Phosphatgehalt wieder, stoppt die Zusammenarbeit normalerweise.

Die Forscher griffen mithilfe von VIH2 in diesen Mechanismus ein. Dadurch reagierten die Pflanzen weiter wie unter Nährstoffmangel, obwohl bereits genügend Phosphat vorhanden war.

„Wir haben untersucht, ob eine gezielte Drosselung des Enzyms das Notprogramm wieder startet und damit die Mykorrhizabildung ermöglicht“, berichtet Ried-Lasi. „Und in der Tat: Die Pflanzen verhielten sich so, als litten sie unter Phosphatmangel, obgleich ausreichend Phosphat im Nährmedium vorhanden war.“ Die Pflanzen hielten ihre Pilzpartnerschaften dauerhaft aufrecht und nahmen weiter große Mengen Nährstoffe auf.

Mikroskopische Aufnahme von Mykorrhizastrukturen in den Wurzelzellen der Pflanze Lotus japonicus. — © Kiran Raj, IPB Die Aufnahme zeigt arbuskuläre Mykorrhizastrukturen in den Wurzeln von *Lotus japonicus*, mit denen Pflanzen mehr Phosphat aus dem Boden aufnehmen können. © Kiran Raj, IPB

Deutlich mehr Nährstoffe trotz normalem Wachstum

Die Wissenschaftler arbeiteten mit der Modellpflanze Lotus japonicus. In den Versuchen testeten sie unterschiedliche Phosphatwerte zwischen 25 und 1500 Mikromol. Die veränderten Pflanzen nahmen deutlich mehr Mineralstoffe auf. Teilweise lag die Phosphatmenge in den Pflanzensprossen etwa doppelt so hoch wie bei normalen Pflanzen. Zusätzlich stiegen auch Werte anderer Stoffe:

Stickstoff
Magnesium
Kalium
Schwefel
Calcium

Die Pflanzen entwickelten sich trotz höherer Nährstoffwerte stabil weiter. Die Pilzstrukturen in den Wurzeln blieben intakt und funktionierten normal. „Damit konnten wir die Regulation der Mykorrhizasymbiose vom Phosphatgehalt im Boden entkoppeln“, erklärt Schaaf.

Genau das gilt seit Jahrzehnten als zentrales Ziel der Mykorrhizaforschung.

Die Forscher testeten ihre Pflanzen nicht nur im Labor. Die Experimente liefen zusätzlich mit natürlichem Oberboden und echten Bodenpilzen. Auch dort blieb die verstärkte Pilzbesiedelung erhalten.

Mit der Modellpflanze Lotus japonicus untersuchten Forscher, wie Pflanzen dauerhaft mit Bodenpilzen zusammenarbeiten können. — © Elena Roitsch, IPB Die Pflanze Lotus japonicus diente Forschern als Modell, um den Mechanismus hinter der besseren Phosphat-Aufnahme zu untersuchen. © Elena Roitsch, IPB

Warum in Dünger enthaltenes Phosphat ein Umweltproblem ist

Weltweit werden jedes Jahr rund 200 Millionen Tonnen Rohphosphat gefördert. Etwa 90 Prozent davon fließen in die Herstellung von Düngemitteln. Das Problem betrifft mehrere Bereiche gleichzeitig. Viele Lagerstätten enthalten auch Schwermetalle. Außerdem gelangt überschüssiges Phosphat häufig in Gewässer. Dort fördert es massenhaftes Algenwachstum, die sich auch von Phosphat ernähren. Seen und Flüsse verlieren dadurch massiv an Sauerstoff, die Fische sterben, die Gewässer kippen.

Die Studie liefert deshalb mehr als nur einen neuen Pflanzen-Trick. Der Ansatz könnte langfristig helfen, Dünger sparsamer einzusetzen und damit sowohl Böden als auch die Natur weniger zu belasten.

Mit VIH2 identifizierten die Forscher einen regulatorischen Schalter, der die Zusammenarbeit zwischen Pflanzen und Pilzen direkt beeinflusst. Künftig könnte sich die Symbiosebereitschaft von Kulturpflanzen dadurch gezielt verändern lassen. Die Forscher verweisen dabei auch auf moderne Züchtungsverfahren wie Genomeditierung, ein Verfahren, mit dem Wissenschaftler gezielt einzelne Abschnitte im Erbgut von Pflanzen verändern können.

Die hilfreichen Pilznetzwerke können sogar das Klima beeinflussen

Laut Studie transportieren diese unterirdischen Mykorrhiza-Netzwerke jedes Jahr rund vier Milliarden Tonnen CO₂-Äquivalente aus Pflanzen in den Boden. Gleichzeitig verbessern die feinen Pilzfäden die Wasseraufnahme der Pflanzen. Das könnte in trockenen Sommern wichtig werden.

Bis zu 80 Prozent aller Landpflanzenarten arbeiten laut den Forschern mit solchen Pilzen zusammen. Dazu gehören auch wichtige Nutzpflanzen wie Mais, Reis und Weizen.

Noch offen bleibt allerdings eine entscheidende Frage: Ob höhere Nährstoffmengen später tatsächlich größere Ernten ermöglichen, müssen weitere Feldversuche erst noch zeigen.

Kurz zusammengefasst:

Pflanzen arbeiten mit Bodenpilzen zusammen, um mehr Phosphat, Wasser und andere wichtige Nährstoffe aus dem Boden aufzunehmen. Normalerweise beenden sie diese Partnerschaft wieder, sobald genug Nährstoffe vorhanden sind.
Forscher entdeckten nun einen biologischen Schalter namens VIH2, mit dem sich diese Zusammenarbeit dauerhaft aktiv halten lässt. Die Pflanzen nahmen dadurch deutlich mehr Mineralstoffe auf, entwickelten sich aber weiterhin normal.
Dieser Ansatz könnte helfen, künftig weniger Dünger einzusetzen und damit Böden sowie Gewässer zu entlasten. Besonders wichtig ist dies, da Phosphat als begrenzte Ressource gilt und überschüssiger Dünger Umweltprobleme verursacht.

Übrigens: Während Forscher Wege entdeckt haben, Pflanzen über Pilzsymbiosen besser zu versorgen, erforschen andere, wie Wurzeln mithilfe des Mineralstoffs Kalzium unter der Erde gezielt auf Druck, Trockenheit und Hindernisse reagieren. Sogenannte Kalziumsignale könnten erklären, warum manche Pflanzen selbst in harten Böden weiter wachsen. Mehr dazu in unserem Artikel.