Die Rolle von Phytosiderophoren bei der Pflanzenverbesserung verstehen
Wenn bestimmte Getreidearten wie Weizen, Gerste und Mais Schwierigkeiten damit haben, genügend Mikronährstoffe zu finden, geben sie aus ihren Wurzeln Stoffwechselprodukte, sogenannte Phytosiderophore, an den Boden in der Umgebung ab. Diese gehen eine Art Bindung (stabile Komplexe) mit Nährstoffen ein, wodurch diese löslich und für die Aufnahme verfügbar werden. Die Bedeutung von Phytosiderophoren für die Eisenversorgung von Pflanzen ist seit den 1970er Jahren bekannt, umfassende Erkenntnisse zu ihrer Rolle bei den Wechselwirkungen zwischen Pflanze und Boden haben sich jedoch als Herausforderung erwiesen – vor allem, da diese Stoffverbindungen nicht kommerziell verfügbar sind. „Der Forschung ist es nicht gelungen, die für eine genaue Messung oder einen Vergleich der Ergebnisse zwischen Pflanzen, Böden oder Laboren erforderlichen gereinigten Standards herzustellen“, erklärt Eva Oburger(öffnet in neuem Fenster), assoziierte Professorin am Institut für Bodenforschung der Universität BOKU. Mit der Unterstützung durch den Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) (ERC) im Rahmen von Projekt PhytoTrace zielten Oburger und ihr Team von der Technischen Universität Wien(öffnet in neuem Fenster) und der Universität Wien(öffnet in neuem Fenster) darauf ab, die dieser Mikronährstoffaufnahme zugrunde liegenden Mechanismen zu ermitteln. Im Rahmen des Projekts wurden innovative Methoden zur Boden- und Wurzelbeprobung sowie fortgeschrittene Techniken für die Untersuchung des Phytosiderophorsystems in bisher unerreichter Detailgenauigkeit eingesetzt. „Dank der ERC-Finanzierung konnten wir alle acht natürlich vorkommenden Phytosiderophore in gereinigter Form chemisch synthetisieren“, erklärt Oburger. „Dies ermöglicht es uns, eine hochempfindliche Methode zu entwickeln, mit der sich alle diese Verbindungen in natürlichen Proben nachweisen und quantifizieren lassen, sodass wir erstmals über die Werkzeuge verfügen, um Fragen zur Funktionsweise dieser Verbindungen und zu ihrer Rolle bei der Gestaltung der Wechselwirkungen zwischen Pflanze und Rhizosphäre(öffnet in neuem Fenster) zu beantworten.“
Die Rolle von Phytosiderophoren klären
Zunächst fügten die Forscherinnen und Forscher im Zuge von Hydrokulturversuchen einzelne Mikronährstoffe wie Eisen, Zink und Kupfer unabhängig voneinander hinzu oder ließen diese weg. Am Beispiel von Gerste als Modellpflanze untersuchte das Team die Freisetzung von Phytosiderophoren bei verschiedenen Mikronährstoffmängeln und überwachte die Aktivierung von Genen, die für deren Produktion erforderlich sind. Nach der Ermittlung der grundlegenden Mechanismen wandten sich die Forscherinnen und Forscher komplexeren und realistischeren Bodensystemen zu, es wurde die Wirksamkeit verschiedener Phytosiderophore untersucht und schrittweise die genetische Vielfalt der untersuchten Pflanzen erhöht.
Genetische Variation bei der Effizienz der Nährstoffaufnahme
Eine der auffälligsten Erkenntnisse war, dass Phytosiderophore offenbar nur eine begrenzte Rolle bei der Kupferaufnahme spielen, obwohl sich in der Bodenlösung starke Kupfer-Phytosiderophor-Komplexe bilden. Es fanden sich jedoch eindeutige Hinweise darauf, dass Phytosiderophore wesentlich zur Zinkaufnahme beitragen. „Dies ist besonders wichtig, da Zinkmangel sowohl für die Landwirtschaft als auch für die menschliche Ernährung weltweit eine große Herausforderung darstellt“, bemerkt Oburger. Eine weitere wichtige Erkenntnis betraf die genotypische Variation: Manche Gerstengenotypen nahmen Mikronährstoffe wesentlich effizienter auf, was in engem Zusammenhang mit dem Ausmaß der Aktivierung des Phytosiderophorstoffwechselwegs stand. „Dieses hochinteressante Ergebnis zeigte, dass sich Pflanzen erheblich darin unterscheiden können, wie effektiv sie diese Verbindungen unter Bedingungen mit Mikronährstoffmangel verwerten“, fügt Oburger hinzu. „Diese Variation ist genetisch gesteuert und erblich, was bedeutet, dass dies in der Pflanzenzucht genutzt werden kann.“
Die Verbesserung von Pflanzen unterstützen
Die Ergebnisse haben eindeutig die unmittelbarsten Auswirkungen auf die Verbesserung von Pflanzen. „Da der Phytosiderophorstoffwechselweg genetisch gesteuert ist, ist es absolut im Bereich des Möglichen, diese Eigenschaften durch Züchtung und Selektion zu verstärken“, erklärt Oburger. Die Stärkung dieses natürlichen Mechanismus offeriert einen praktischen Weg zur Verbesserung der Eisen- und Zinkaufnahme unter schwierigen Bodenbedingungen, was langfristig dazu beitragen könnte, Nutzpflanzen mit einem höheren Mikronährstoffgehalt sowie besserem Wachstum und größerer Widerstandsfähigkeit in nährstoffarmen Umgebungen zu entwickeln. „Zu den weiteren Schritten zählt nicht nur die Untersuchung weiterer Arten, sondern auch die Entwicklung von Methoden, die eine Maßstabsvergrößerung ermöglichen, um diese Forschung an die tatsächliche Zuchtpraxis anzunähern“, sagt Oburger.
