Jörg Großschedl/Anne Braun/Katharina Klein/Brigitte Schoenemann/Mitzi Villajuana-Bonequi/Marcel Bucher

Pflanzenwachstum ohne Düngung

Junge Pflanze im Sonnenlicht.
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Jörg Großschedl/Anne Braun/Katharina Klein/Brigitte Schoenemann/Mitzi Villajuana-Bonequi/Marcel Bucher

Wissen über Vorgänge im Wurzelraum aus verschiedenen biologischen Teildisziplinen vernetzen

Klimatische Veränderungen, die Erosion von Anbauflächen und der Anstieg der Weltbevölkerung gefährden eine nachhaltige Versorgung mit pflanzlichen Rohstoffen. Innovative Strategien der Landwirtschaft und Pflanzenforschung sind daher unbedingt nötig. Die molekularen Grundlagen der Interaktion von Pflanzen und Mikroorganismen im Wurzelraum sollen helfen, eine nachhaltige Landwirtschaft der Zukunft zu entwickeln.

Landwirtschaftliche Kulturpflanzen entziehen dem Boden kontinuierlich große Mengen an Mineralstoffen wie Stickstoffverbindungen, Phosphate und Kaliumsalze. Eine mineralische Düngung hilft, einen Mineralstoffmangel vorzubeugen und ermöglicht so ein optimales Pflanzenwachstum. Die Düngemittelproduktion ist mit einem hohen Energieverbrauch verbunden. Allein für die Produktion mineralischen Stickstoffdüngers mittels Haber-Bosch-Verfahren wendet die Industrie ein bis drei Prozent des weltweiten Energieaufkommens auf (Kugler/Mitsos/Wang/Wessling 2015).
Neben Mineralstoffen beherbergen Böden eine Vielzahl von winzigen Insekten, Bakterien, Pilzen und Algen. In einer Handvoll Boden gibt es mehr Lebewesen als Menschen auf der Erde. Diese Klein(st)lebewesen leisten einen erheblichen Beitrag zum Erhalt der Bodenfunktionen. Sie lockern beispielsweise den Boden, bauen organisches Material ab, wodurch sie Mineralstoffe freisetzen und speichern, oder zersetzen Schadstoffe. Für Pflanzen ist nur ein sehr kleiner Teil der Mineralstoffe aus dem Boden direkt zugänglich, da sie die Mineralstoffe in unmittelbarer Wurzelnähe mit der Zeit aufbrauchen. Es entsteht eine sogenannte Verarmungszone. Im Laufe der Evolution haben sich gezielte Interaktionen von Pflanzen mit Pilzen und Bakterien herausgebildet, die für beide Partner von Vorteil sind. Solche mutualistischen Symbiosen vergrößern das verfügbare Mineralstoffangebot für die Pflanzen (Gutjahr/Parniske 2013, Jones/Kobayashi/Davies/Taga/Walker 2007, Parniske 2008).
Hilfreiche Symbiosen
Bodenpilze können ein kilometerlanges, unterirdisches Netz aus fädigen Pilzstrukturen, den Hyphen, bilden und damit Nährstoffe, Mineralstoffe und Wasser aus einem sehr großen Bereich des Bodens aufnehmen. Mehr als 80% aller weltweit lebenden Landpflanzen gehen eine mutualistische Symbiose mit Bodenpilzen ein: Sie bilden Mykorrhizen (griech. mykes: Pilz, rhiza: Wurzel). Bei dieser Symbiose versorgen die Pilze die Pflanze vor allem mit Wasser und Mineralstoffen. Im Gegenzug erhält der Pilz Nährstoffe in Form von Kohlenhydraten und Fettsäuren. Bei der arbuskulären Mykorrhiza wachsen die Pilzhyphen in die Pflanzenwurzel hinein. Dort bilden sie ein ausgedehntes Hyphennetzwerk. Die Hyphen dringen auch in die inneren Wurzelrindenzellen ein und bilden dort Arbuskel. Arbuskel sind stark verzweigte, baumartige Strukturen, an denen durch eine große Membranoberfläche der Stoffaustausch zwischen Pilz und Pflanze optimal stattfinden kann.
Eine deutlich stärkere Spezialisierung fand zwischen Hülsenfrüchtlern wie Erbsen, Sojabohnen und Luzernen, und Rhizobien, also Bodenbakterien der Gattung Rhizobium, statt. Obwohl die Luft 78% elementaren Stickstoff (N2) enthält, können Pflanzen Stickstoffverbindungen nur in Form von Nitrat- oder Ammoniumionen aufnehmen. Diese sind im Boden jedoch nur begrenzt verfügbar. Rhizobien können mit Hilfe ihres Enzyms Nitrogenase hingegen elementaren Stickstoff zu Ammoniumionen umsetzen (Stickstofffixierung). So kommt es zwischen Hülsenfrüchtlern und Rhizobien häufig zu einer mutualistischen Symbiose.
Die Pflanze beeinflusst die Mikroorganismen-Gemeinschaft in direkter Wurzelnähe, indem ihre Wurzeln kontinuierlich Stoffe an den umgebenden Boden abgeben. Herrscht Mineralstoffmangel, verändern sie die Zusammensetzung ihrer Wurzelausscheidungen. Dies aktiviert...
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Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Biologie Nr. 449 / 2019

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Beitrag aus Zeitschrift Unterricht Biologie Unterricht (45-90 Min) Schuljahr 11-13