Phosphor zählt weltweit zu den am häufigsten eingesetzten Düngemitteln, allein die deutsche Landwirtschaft verbraucht jährlich 115 Tausend Tonnen. Doch die natürlichen Phosphorvorkommen schrumpfen. Eine Alternative könnte Biochar darstellen, eine spezielle Pflanzenkohle, die beim Verbrennen von Biomasse entsteht. Unklar war aber bisher, wie sich die Kombination von Biochar und den weitverbreiteten Mykorrhizapilzen auf die Pflanzen auswirkt. Nun haben Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) erstmals mittels Genexpressionsanalyse gezeigt, dass die „Antwort“ von Tomatensetzlingen auf die Mykorrhizasymbiose – und damit ihre Phosphaternährung – vom Ausgangsstoff des Biochars abhängt. Die Ergebnisse sind in Science of the Total Environment veröffentlicht.
Als Ersatzprodukt für Phosphatdünger wird seit einigen Jahren Biochar intensiv erforscht. Biochar ist ein Recyclingprodukt, das aus der Pyrolyse von Biomasse entsteht. Dabei werden organische Ausgangsstoffe bei Temperaturen zwischen 400 und 700 Grad Celsius ohne Sauerstoff verbrannt. Die Basis von Biochar kann sehr unterschiedlich sein: So lassen sich etwa Holzreste, Hühnermist oder Laub zu Dünger verarbeiten. Doch die Forschung der letzten Jahre zeigte, dass Pflanzen unterschiedlich auf Biochar reagieren: Manche wuchsen besser, andere reagierten wie ungedüngt, weitere waren für die Pflanze sogar toxisch. Nun hat ein interdisziplinäres Team des KIT, bestehend aus Forschenden des Joseph Gottlieb Kölreuter Instituts für Pflanzenwissenschaften (JKIP) und des Instituts für Technische Chemie, am Beispiel von Tomatensetzlingen herausgefunden, dass der Ursprung der Biochar-Biomasse entscheidend für die Symbiose mit den natürlich im Boden vorkommenden Arbuskulären Mykorrhizapilzen (AM Fungi) ist.
Dazu hat das Team in einem ersten Experiment die alleinige Wirkung von Biochar aus Weizenstroh und aus Hühnermist untersucht. Das Biochar aus Hühnermist enthielt neunmal mehr Phosphat als Biochar aus Weizenstroh. Phosphat ist die lösliche Form von Phosphor, verbunden mit Sauerstoff. Es ist ein essenzielles Molekül für das Wachstum der Pflanzen. „Die Tomatensetzlinge, die wir mit Hühnermistbiochar gedüngt haben, sind erwartungsgemäß schnell und prächtig gewachsen“, erklärt Professorin Natalia Requena, Expertin für Molekulare Phytopathologie am JKIP. „Ihnen stand ja viel Phosphat zur Verfügung, das sie direkt verarbeiten konnten.“
Symbiose mit Mikropilz sichert langfristiges Wachstum der Pflanze
Im zweiten Experiment haben die Forschenden die Tomatenpflanzen mit AM Fungi kolonisiert. Die Mikropilze existieren seit mehr als 400 Millionen Jahren auf der Erde und leben in den Wurzeln von 80 Prozent der Landpflanzen. Sie siedeln sich in ihre Rinde ein, nehmen Phosphat auf und geben es der Pflanze weiter. Als Gegenleistung versorgt die Pflanze sie mit Zucker und Lipiden. Bei der Beobachtung von ausgewählten Molekülen konnten die Forschenden zeigen, dass das phosphatreiche Biochar auf Hühnermistbasis diese Symbiose zwischen Tomate und AM Fungi beeinträchtigte: Es fand kaum ein molekularer Austausch statt. Das Biochar auf Weizenstrohbasis tat das Gegenteil: Pflanze und Mikropilze entwickelten eine rege Symbiose. „Langfristig sind diese mit Biochar auf Weizenstrohbasis gedüngten Pflanzen damit kompatibler mit anderen Mikroorganismen und so auch besser geschützt gegen Krankheitserreger“, erläutert Requena. „Wir hatten eine solch komplexe molekulare Antwort der Pflanzen nicht erwartet.“
Zellen besser verstehen – künftig weniger düngen
Diese Ergebnisse konnte das Team mit dem Einsatz der Genexpressionsanalyse nachweisen: „Das ist eine aufwändige, teure Methode, die aber ermöglicht zu sehen, was in den Genen der Pflanze passiert, welche Marker angeregt werden oder nicht“, so Requena. Nun seien weitere Experimente notwendig, um die Antwort der Pflanzen noch besser zu verstehen. „Wenn wir diese entschlüsseln, können wir langfristig Pflanzen so programmieren, dass sie weniger Phosphat brauchen und somit weniger Mineraldünger“, so Requena. Diese Forschung wird am KIT als Exzellenzuniversitätsvorhaben KIT Future Fields „Plants fit for Future“ (PffF) unterstützt. In diesem Verbund suchen die Forschenden nach Wegen, Pflanzen fit zu machen für eine Zukunft, in der Phosphordünger Mangelware ist und Pestizide weitgehend von unseren Äckern verbannt sein werden.
Bild oben: Der Vergleich mit der Kontrollpflanze (Mikroskopaufnahme links) zeigt, dass die Symbiose mit den Mykorrhizapilzen stärker ist, wenn die Tomatensetzlinge auf Weizenstrohbasis (Mitte) gedüngt werden. Werden sie mit Biochar aus Hühnermist gedüngt, ist die Symbiose schwächer (rechts). Abbildung: JKIP, KIT
