Forschungsziel: Getreide, das sich selbst mit Stickstoff aus der Luft versorgt und weniger Dünger benötigt

Pflanzen sind auf Stickstoff angewiesen. Zwar gibt es in der Luft davon 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 Kunstdünger. Doch der ist knapp und teuer. Vor allem aber: Nur ein Teil wird von den Pflanzen tatsächlich aufgenommen. Der überschüssige Stickstoff belastet die Umwelt. Könnten nicht auch Getreide- und andere Ackerfrüchte dazu gebracht werden, sich selbst zu düngen oder wenigstens den Stickstoff besser zu verwerten? So wie es Erbsen, Klee und andere Hülsenfrüchte „von Natur aus“ können. Weltweit arbeitet dir Forschung daran, auch in Deutschland. Doch es ist ein ehrgeiziges Ziel.

Ohne ausreichend Stickstoff geht es Pflanzen schlecht. 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 aber nicht direkt 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). Ohne ausreichend Stickstoff wachsen Pflanzen schlecht und die Ernten fallen mager aus.

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 nutzen die Rhizobien Zucker aus der Pflanze für ihren Stoffwechsel. 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.

Mit dem Ende der russischen Erdgaslieferungen nach Europa ist Stickstoffdünger in den letzten Jahren deutlich teurer geworden. Das bedeutet nicht nur steigende Preise für landwirtschaftliche Produkte, sondern auch weniger Erträge – vor allem in Regionen mit stickstoffarmen Böden wie in weiten Teilen Afrikas, wo Dünger besonders nötig, aber derzeit kaum noch bezahlbar ist.

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. Dabei werden verschiedene Ansätze verfolgt.

Mehr Stickstoff-Effizienz bei Pflanzen

Es wird intensiv daran geforscht, wie Kulturpflanzen die für sie nutzbaren 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 (HvAlaAT) 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.

Selbstdüngendes Getreide

Zahlreiche Forschungsprojekte beschäftigen sich mit der faszinierenden Symbiose zwischen Pflanzen und Stickstoff-fixierenden Bakterien. Diese Symbiose können nur Hülsenfrüchtler (Leguminosen) wie Bohnen, Erbsen oder Klee eingehen. Man weiß inzwischen, dass auch viele andere Pflanzenfamilien eine Veranlagung für diese Symbiose in ihrem Genom tragen, welche sich aber im Laufe der Evolution wieder „verloren“ hat. Daher wird der Frage nachgegangen, ob nicht auch Kulturpflanzen wie Reis, Weizen oder Mais wieder zu einer solchen Symbiose gebracht werden könnten, so dass sie keinen oder deutlich weniger Dünger benötigen.

Ein großer Forschungsverbund (ENSA: Engineering Nitrogen Symbiosis for Africa) unter der Leitung des britischen Sainsbury Laboratoriums und der Universität Cambridge beschäftigt sich z.B. mit Gerste. Die Pflanze soll 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, das dabei eine Schlüsselrolle spielt (mehr dazu im >Video).

Die Ausbildung einer solchen Symbiose – von der „Eintrittserlaubnis“ in die Zelle 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 eine Symbiose mit Rhizobien vorhanden. Nun geht es darum herauszufinden, was die Symbiosen unterscheidet und welche Gene beteiligt sind.

Im Kern geht es darum, heute in vielen Pflanzen nur noch rudimentär vorhandene genetische Netzwerke für eine symbiotische Stickstofffixierung, die in früheren Evolutionsstadien entstanden sind, wieder zu vervollständigen und an „moderne“ Pflanzen anzupassen. Doch dazu muss dieser Prozess auf molekularer Ebene verstanden sein. Eine aktuelle wissenschaftliche Publikation (Jhu/Oldroyd 2023, PLoS Biology) listet sieben „Geheimnisse“ – Schlüsselfragen, die auf dem Weg zu selbstdüngendem Getreide noch aufzuklären sind. Dennoch sind die Autoren optimistisch: „Wenn das Feld jedoch weiterhin so schnell voranschreitet wie in den letzten zwei Jahrzehnten, hoffen wir, dass innerhalb des nächsten Jahrzehnts eine Lösung gefunden wird, die sichere, nachhaltige und erschwingliche Lebensmittel liefert.“

Mikrobiom: Bakterien im Wurzelraum optimieren

Nicht nur Knöllchenbakterien können Luftstickstoff binden und für die Pflanzen verfügbar machen„ auch andere Bodenbakterien sind dazu in der Lage. 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. Mehrere Biotech-Firmen beschäftigen sich mit dieser Aufgabe. Joyn Bio zum Beispiel, ein gemeinsames Unternehmen von Bayer und Gingko Bioworks, arbeitet daran Mikroorganismen zu optimieren, mit deren Hilfe der Bedarf an synthetischem Stickstoffdünger für Getreidekulturen deutlich reduziert werden kann.

Präparate mit Bakterien, die effizient Stickstoff binden, finden sich 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.