Entschlüsselung von Geheimnissen für nachhaltige Pflanzenernährung und Landwirtschaft
Da die Weltbevölkerung wächst, stellt die dringende Notwendigkeit einer nachhaltigen Nahrungsmittelerzeugung innerhalb der nächsten 30 Jahre eine gewaltige Herausforderung dar. Das Wachstum von Pflanzen hängt von der Verfügbarkeit von Nährstoffen ab und es ist von entscheidender Bedeutung zu verstehen, wie sie sich an einen Nährstoffmangel anpassen. Mineralnährstoffe wie Stickstoff und Eisen spielen zudem eine Rolle bei der atmosphärischen CO2-Fixierung, da die Photosynthese als primärer Punkt für den Kohlenstoffeintrag in Ökosystemen dient. Die Entschlüsselung dieser biologischen Prozesse ist daher unerlässlich für die Entwicklung neuer Strategien zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit und Produktivität von Anbaupflanzen, zur Gewährleistung der Ernährungssicherheit und zum Schutz der Umwelt.
Bewertung von Nährstoffmängeln bei Pflanzen
Im über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen (MSCA) unterstützten Projekt ExuNutriStress wurden bedeutende Fortschritte beim Verständnis der Reaktion von Bäumen auf Nährstoffmangel erzielt. Die Forschung wurde an Pappeln durchgeführt, die aufgrund ihres schnellen Wachstums, ihrer Reifung und ihrer weiten geografischen Verbreitung ein hervorragendes Modell für die Forschung an Waldbäumen darstellen. Der Schwerpunkt des Projekts liegt auf Stickstoff- und Eisenmangel, da diese Elemente in zahlreichen Pflanzenmolekülen und -prozessen, einschließlich Photosynthese und Biosynthesewegen, eine entscheidende Rolle spielen. Da die Landwirtschaft für 60 % des prognostizierten Anstiegs der Stickstoffverschmutzung verantwortlich ist, ergeben sich aus dem Wissen darüber, wie Pappelbäume Stickstoff aus dem Boden mobilisieren, mögliche Lösungen für einen geringeren Stickstoffeintrag. Wurzelexsudate sind organische Verbindungen, die von Pflanzen in den Boden abgegeben werden. Sie erhöhen die Bioverfügbarkeit von Nährstoffen und verbessern das Pflanzenwachstum, indem sie die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Rhizosphäre und ihre Mikroflora verändern. Wurzelexsudate sind eng in die biogeochemischen Nährstoffkreisläufe eingebunden. Daher muss verstanden werden, wie sich ein Nährstoffmangel auf die Wurzelexsudate auswirkt. Exsudate spielen auch eine entscheidende Rolle bei der Kohlenstoffbindung in Böden, die durch den Nährstoffstatus der Pflanzen beeinflusst werden könnte. „ExuNutriStress hat das Potenzial, die nachhaltige Landwirtschaft zu verbessern, indem Alternativen zu mineralischen Düngemitteln angeboten werden“, erklärt Hauptforscher Sébastien Thomine.
Wie wirkt sich ein Nährstoffmangel auf den Pflanzenstoffwechsel aus?
Die Forschungsgruppe führte eine Reihe von Hydrokultur-Experimenten unter kontrollierten Bedingungen durch. In diesen Versuchen wurden die Auswirkungen von Stickstoff- und Eisenmangel – sowohl einzeln als auch in Kombination – auf die Wurzelexsudate von Pappelbäumen untersucht. Die Gruppe überwachte Parameter wie Chlorophyllgehalt und pH-Wert und analysierte Mikro- und Makronährstoffe in verschiedenen Teilen der Pflanzen. Die Projektergebnisse deuten darauf hin, dass Pappelwurzeln unter Nährstoffstress bestimmte Metaboliten anreichern, darunter Flavonoide. Bei Stickstoffmangel wirkt sich das Ungleichgewicht im Stickstoff- und Kohlenstoffstoffwechsel auf die Flavonoidproduktion aus, wohingegen Eisenmangel die Fettsäure- und Aminosäurewege beeinflusst. „Diese Erkenntnisse sind entscheidend für das Verständnis der Reaktionen von Pflanzen auf Nährstoffstress“, betont die Marie-Skłodowska-Curie-Forschungsstipendiatin María Teresa Cieschi.
Auswirkungen auf Gesellschaft und Umwelt
Das Projekt ExuNutriStress stellt einen bedeutenden Fortschritt in unserem Verständnis der Pflanzenphysiologie unter Nährstoffstress dar. Seine Ergebnisse sind nicht nur ein Beitrag für die Wissenschaft, sondern haben auch weitreichende Auswirkungen auf die nachhaltige Landwirtschaft. Die gewonnenen Erkenntnisse über die Rolle von Wurzelexsudaten bei der Pflanzenernährung versprechen, den Weg für wirksamere und umweltfreundlichere landwirtschaftliche Verfahren, einschließlich nachhaltiger Düngemittel, zu ebnen. Das Projektteam hat seine Ergebnisse aktiv über seine Website, die sozialen Medien und bei der Forschernacht in Paris verbreitet und so seine Reichweite und Wirkung erhöht. Das Projekt wird fortgesetzt und soll weitere bahnbrechende Erkenntnisse über das Nährstoffmanagement von Pflanzen und das ökologische Gleichgewicht zu liefern.
Schlüsselbegriffe
ExuNutriStress, Eisen, Stickstoff, Wurzelexsudate, Pappelbäume, nachhaltige Landwirtschaft, Pflanzenernährung, Photosynthese, Verschmutzung, Mineralien
