Bessere pflanzliche Erzeugung durch Einblicke in Boden-Wurzel-Aktivität
Als essenzieller Bodennährstoff hat Phosphor für pflanzliche Prozesse einschließlich Energietransfer und Organentwicklung eine Schlüsselbedeutung, und er bildet sogar einen Teil des Rückgrats der leiterartigen Struktur der DNS. Frederik van der Bom(öffnet in neuem Fenster) von der Universität Kopenhagen(öffnet in neuem Fenster) äußert dazu: „Ohne Phosphor könnten sich die Zellen nicht teilen, keine Energie speichern und keine genetischen Informationen weitergeben, was bedeutet, dass es kein Wachstum, keine Fortpflanzung und letztlich kein Leben auf der Erde gäbe.“ Phosphor ist jedoch für die Pflanzen schwer zugänglich, da er sehr reaktiv ist und sich fest an Bodenpartikel bindet und/oder unlösliche Verbindungen bildet. Zur Kompensation greifen die landwirtschaftlichen Betriebe häufig auf lösliche Düngemittel zurück, was zwar die Erträge verbessert, aber dennoch unwirtschaftlich und schädlich für die Umwelt ist. Um den Prozess der pflanzlichen Phosphoraufnahme besser zu verstehen, wurden im Rahmen des von van der Bom koordinierten Projekts RootOutP In-situ-Visualisierungs- und Quantifizierungsverfahren entwickelt.
Fortschritte bei Wurzelbildgebung und Chemiekartierung
Die komplexe Reaktivität von Phosphor im Boden bedeutet, dass er in vielen Formen vorkommt, die von Faktoren wie den lokalen Bodeneigenschaften und jeglicher Einbindung in Biomasse abhängen. Diese Variablen erschweren Bewertungen seiner Verfügbarkeit für die Pflanzen. „In der Praxis sind wir meist auf grobe Schätzungen beschränkt, die sich seit den 50er oder 60er Jahren nicht wirklich verändert haben“, fügt van der Bom hinzu. Pflanzenwurzeln haben mehrere Strategien entwickelt, um die Phosphoraufnahme zu verbessern, wozu die Fähigkeit zählt, Wurzeln in Zonen mit hohem Phosphorangebot wachsen zu lassen und/oder ihr chemisches Umfeld, die Rhizosphäre(öffnet in neuem Fenster), zu manipulieren). Eine große Herausforderung bei der Bewertung dieser Strategien stellt die Undurchsichtigkeit des Bodens dar. Van der Bom dazu: „Wir können Wurzeln nicht so wie oberirdische Pflanzen betrachten, denn wir wissen erstaunlich wenig darüber, was unter der Erde geschieht. Das wollten wir ändern.“ Aus diesem Grund werden viele Studien in Labors oder Gewächshäusern durchgeführt, wobei künstliche Medien (wie Sand, Gele, Hydrokulturen) oder Versuchsaufbauten für 2D-Beobachtungen zum Einsatz kommen. Üblicherweise werden Proben entnommen, der Boden abgewaschen und dann die Wurzeleigenschaften gemessen. Das ist jedoch nicht nur mühsam und kostspielig, sondern es geht dabei auch immer ein Teil des Wurzelsystems und damit ein Großteil der Struktur verloren. Innerhalb von RootOutP wurden Untersuchungen mit einem Verfahren mit 3D-Röntgen-CT-Scans(öffnet in neuem Fenster) durchgeführt, ergänzt durch den Einsatz des Australian Synchrotron(öffnet in neuem Fenster). Im Rahmen des Projekts wurde die Wurzelarchitektur von Weizenpflanzen und ihre Reaktion auf unterschiedliche Phosphorgaben in 3D und 4D (im Zeitverlauf) abgebildet. Die Wurzeln wurden dann „segmentiert“, d. h. digital vom Boden getrennt. Diese Vorgehensweise ist schwierig, da Bodenmerkmale wie wassergefüllte Bodenporen wie Wurzeln aussehen, die ihrerseits in ihrer Länge variieren können. Im Sinne dieses Ziel arbeitete das Team mit Partnern zusammen, um leistungsstarke Deep-Learning-Ansätze zu entwickeln. Zweitens sollte im Zuge des Projekts die Chemie um einzelne Wurzeln herum kartiert und quantifiziert werden, wobei unter anderem die Diffusionsgradientenmethode in dünnen Schichten diffusive Gradients in Thin-films, DGT(öffnet in neuem Fenster) zum Einsatz kam. Das Team konnte Unterschiede in der Citratkonzentration zwischen ausgewählten Genotypen feststellen und auch, wie diese mit dem pH-Wert der Rhizosphäre und Phosphormangel zusammenhängen. „Wir konnten ziemlich erfolgreich beobachten, wie unterschiedliche Wurzelsysteme in und um einen Phosphor-Hotspot plastisch reagierten, und dies in Bezug mit der Phosphorchemie in dieser Zone setzen“, erklärt van der Bom.
Gezieltere landwirtschaftliche Interventionen
Aus der Nutzung der RootOutP-Ergebnisse könnten der Pflanzenzüchtung, der Agrarwissenschaft und den Bemühungen um Nachhaltigkeit Vorteile erwachsen. Die bei der Projektarbeit gewonnenen Erkenntnisse könnten beispielsweise in der Pflanzenzucht hilfreich sein, um die am besten für die Nährstoffaufnahme geeigneten Wurzeln für zukünftige Zuchtprogramme auszuwählen. Inzwischen bemüht sich van der Bom um eine Finanzierung, um die In-situ-Untersuchungen von Wurzel-Boden-Interaktionen weiter auszubauen und somit ein neues Feld für die zukünftige Forschung und Anwendungen zu erschließen. „Aber das ist für die Pflanzen- und Bodenwissenschaft allein zu komplex – wir müssen mit Computerfachleuten Partnerschaften eingehen“, schließt van der Bom. Diese Forschungsarbeit wurde im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) unterstützt.
