Viele Pflanzen nutzen Bodenpilze als natürliche Helfer bei der Nährstoffaufnahme. Die feinen Pilzfäden der sogenannten Mykorrhizapilze reichen deutlich weiter in den Boden als Pflanzenwurzeln allein. Dadurch vergrößert sich die effektive Aufnahmefläche erheblich. Pflanzen gelangen effizienter an Phosphat, Stickstoff, Magnesium oder Kalium.
Forschende des Leibniz-Instituts für Pflanzenbiochemie (IPB) in Halle und der Universität Bonn haben nun einen Mechanismus entdeckt, der diese Zusammenarbeit steuert. Die Erkenntnisse könnten langfristig dazu beitragen, den Einsatz von Phosphatdüngern in der Landwirtschaft zu senken.
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Phosphat bleibt ein Problem für die Landwirtschaft
Phosphor gehört zu den wichtigsten Nährstoffen für Pflanzen. Er spielt unter anderem eine zentrale Rolle im Energiestoffwechsel und beim Wachstum. Das Problem: Rohphosphat ist begrenzt verfügbar. Gleichzeitig steigt der Bedarf der Landwirtschaft seit Jahrzehnten.
Rund 90 % der weltweit geförderten Rohphosphate werden zur Herstellung von Düngemitteln genutzt. Ohne diese Dünger wären hohe Erträge in vielen Regionen kaum möglich. Gleichzeitig entstehen Umweltprobleme. Einige Rohphosphatvorkommen enthalten Schwermetalle, die über Düngemittel in Böden gelangen können. Hinzu kommen Belastungen von Grundwasser sowie die Überdüngung von Seen und Flüssen.
Deshalb suchen Forschende seit Jahren nach Möglichkeiten, Pflanzen effizienter mit Nährstoffen zu versorgen.
Warum Pflanzen die Zusammenarbeit mit Pilzen abbrechen
Die Zusammenarbeit zwischen Pflanzen und Mykorrhizapilzen funktioniert nach einem einfachen Prinzip: Beide Seiten profitieren voneinander. Die Pilze liefern Mineralstoffe aus dem Boden. Die Pflanzen geben dafür Kohlenhydrate ab.
Für die Pflanze ist diese Partnerschaft allerdings nicht kostenlos. „Dieser Preis ist für die Pflanze so hoch, dass sie die Symbiose unterdrückt, wenn im Boden ausreichend Phosphat vorhanden ist“, erklärt Martina Ried-Lasi, Leiterin der Forschungsgruppe Symbiosis Signaling am IPB.
Genau das ist aus landwirtschaftlicher Sicht problematisch. Denn die Pilze verbessern nicht nur die Versorgung mit Phosphat. Sie unterstützen auch die Aufnahme weiterer Nährstoffe. Fällt die Symbiose weg, kann sich das negativ auf Wachstum und Ertrag auswirken.
Forschende identifizieren molekularen Schalter
Im Zentrum der Studie steht das Enzym VIH2. Das Forschungsteam untersuchte dessen Rolle mithilfe der Modellpflanze Lotus japonicus. VIH2 steuert die Bildung sogenannter Inositolpyrophosphate. Diese Moleküle zeigen der Pflanze an, wie viel Phosphat verfügbar ist.
Bei Phosphatmangel aktiviert die Pflanze eine Art Notfallprogramm. Sie verändert ihre Wurzelstruktur und fördert die Zusammenarbeit mit Mykorrhizapilzen. Ist genügend Phosphat vorhanden, wird die Symbiose normalerweise gehemmt.
Die Forschenden wollten deshalb wissen, ob sich dieser Mechanismus gezielt beeinflussen lässt. Dazu hemmten sie das Enzym VIH2. Im Versuch zeigte sich dann ein entscheidender Effekt.
„Und tatsächlich verhielten sich die Pflanzen so, als ob sie unter Phosphatmangel litten, obwohl im Nährmedium ausreichend Phosphat vorhanden war“, berichtet Martina Ried-Lasi.
Mehr Nährstoffe trotz ausreichender Versorgung
Die Pflanzen hielten die Partnerschaft mit den Pilzen weiterhin aufrecht, obwohl eigentlich genügend Phosphat vorhanden war. Unter den Versuchsbedingungen nahmen sie mehr Phosphat und weitere Mineralstoffe auf. Gleichzeitig beobachtete das Team keine negativen Auswirkungen auf Wachstum oder Entwicklung.
„Dadurch konnten wir die Regulation der Mykorrhizasymbiose vom Phosphatstatus des Bodens entkoppeln“, sagt Gabriel Schaaf von der Universität Bonn. „Dies ist seit Jahrzehnten ein zentrales Ziel der Mykorrhizaforschung.“
Hoffnung auf weniger Mineraldünger
Noch stammt die Erkenntnis aus Laborversuchen mit einer Modellpflanze. Ob sich der Effekt später zuverlässig auf Nutzpflanzen wie Weizen oder Mais übertragen lässt, müssen weitere Studien zeigen.
Trotzdem gilt der Ansatz als interessant. Moderne Verfahren wie Genom-Editierung könnten künftig genutzt werden, um die Bereitschaft von Nutzpflanzen zur Zusammenarbeit mit Bodenpilzen gezielt zu beeinflussen.
Gerade angesichts steigender Düngerpreise und strengerer Umweltauflagen wächst der Druck auf die Landwirtschaft, effizienter mit Phosphat umzugehen.
Ob daraus später tatsächlich düngersparende Nutzpflanzen entstehen, müssen Feldversuche erst noch zeigen. Klar ist aber bereits: Forschende verstehen nun deutlich besser, warum Pflanzen die Zusammenarbeit mit Bodenpilzen überhaupt abbrechen.
