Gentechnische Verbindungen zwischen Pflanzen und Diazotrophen könnten die Abhängigkeit von synthetischem Dünger verringern

Stickstoff ist ein essentieller Nährstoff für das Pflanzenwachstum, doch der übermäßige Einsatz synthetischer Stickstoffdünger in der Landwirtschaft ist nicht nachhaltig.

In einem Übersichtsartikel, der in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Trends in der Mikrobiologie Am 26. September diskutiert ein Team aus Bakteriologen und Pflanzenwissenschaftlern über die Möglichkeit, mithilfe der Gentechnik wechselseitige Beziehungen zwischen Pflanzen und stickstofffixierenden Mikroben namens „Diazotrophen“ zu ermöglichen. Diese künstlichen Verbindungen würden den Nutzpflanzen dabei helfen, Stickstoff aus der Luft zu gewinnen, indem sie die Wechselwirkungen zwischen Hülsenfrüchten und stickstofffixierenden Bakterien nachahmen.

„Die Entwicklung assoziativer Diazotrophe zur Stickstoffversorgung von Nutzpflanzen ist eine vielversprechende und relativ schnell umsetzbare Lösung für die hohen Kosten- und Nachhaltigkeitsprobleme, die mit synthetischen Stickstoffdüngern verbunden sind“, schreibt das Forschungsteam unter der Leitung von leitendem Autor Jean-Michel Ané von der University of Wisconsin– Madison.

Diazotrophe sind Arten von Bodenbakterien und Archaeen, die auf natürliche Weise Luftstickstoff in Ammonium „fixieren“, eine Quelle, die Pflanzen nutzen können. Einige dieser Mikroben haben wechselseitige Beziehungen mit Pflanzen aufgebaut, wobei die Pflanzen ihnen eine Kohlenstoffquelle und ein sicheres, sauerstoffarmes Zuhause bieten und im Gegenzug die Pflanzen mit Stickstoff versorgen. Hülsenfrüchte beispielsweise beherbergen stickstofffixierende Mikroben in kleinen Knötchen an ihren Wurzeln.

Allerdings kommen diese Mutualismen nur bei einer kleinen Anzahl von Pflanzen und einer geringen Anzahl von Kulturpflanzenarten vor. Wenn mehr Pflanzen in der Lage wären, Verbindungen mit Stickstofffixierern einzugehen, würde dies den Bedarf an synthetischen Stickstoffdüngern verringern, aber es dauert Äonen, bis sich solche Beziehungen auf natürliche Weise entwickeln.

Die Verbesserung der Stickstofffixierung in Nicht-Leguminosenkulturen ist eine ständige Herausforderung in der Landwirtschaft. Es wurden verschiedene Methoden vorgeschlagen, darunter die genetische Veränderung von Pflanzen, sodass sie selbst Nitrogenase produzieren, das Enzym, mit dem Stickstofffixierer Luftstickstoff in Ammonium umwandeln, oder die Manipulation von Pflanzen, die keine Hülsenfrüchte sind, so dass sie Wurzelknollen produzieren.

Eine alternative Methode – das Thema dieser Übersicht – würde darin bestehen, sowohl Pflanzen als auch stickstofffixierende Mikroben so zu manipulieren, dass wechselseitige Assoziationen erleichtert werden. Im Wesentlichen würden Pflanzen so manipuliert, dass sie bessere Wirte sind, und Mikroben würden so manipuliert, dass sie fixierten Stickstoff leichter freisetzen, wenn sie auf Moleküle treffen, die von den manipulierten Pflanzenwirten abgesondert werden.

„Da freilebende oder assoziative Diazotrophe ihren fixierten Stickstoff nicht altruistisch mit Pflanzen teilen, müssen sie manipuliert werden, um den fixierten Stickstoff freizusetzen, damit die Pflanzen darauf zugreifen können“, schreiben die Autoren.

Der Ansatz würde auf einer bidirektionalen Signalübertragung zwischen Pflanzen und Mikroben basieren, was in der Natur bereits vorkommt. Mikroben verfügen über Chemorezeptoren, die es ihnen ermöglichen, Metaboliten zu erkennen, die Pflanzen in den Boden absondern, während Pflanzen in der Lage sind, mikrobenassoziierte molekulare Muster und von Mikroben abgesonderte Pflanzenhormone zu erfassen. Diese Signalwege könnten durch Gentechnik optimiert werden, um die Kommunikation zwischen Paaren von manipulierten Pflanzen und Mikroben spezifischer zu gestalten.

Die Autoren diskutieren auch Möglichkeiten, diese konstruierten Beziehungen effizienter zu gestalten. Da die Stickstofffixierung ein energieintensiver Prozess ist, wäre es für Mikroben sinnvoll, die Stickstofffixierung zu regulieren und nur bei Bedarf Ammonium zu produzieren.

„Wenn man sich auf die Signalübertragung von pflanzenabhängigen kleinen Molekülen stützt, wird sichergestellt, dass Stickstoff nur dann fixiert wird, wenn sich der manipulierte Stamm in der Nähe der gewünschten Nutzpflanzenart befindet“, schreiben die Autoren. „In diesen Systemen führen Zellen nur dann eine energieintensive Fixierung durch, wenn dies für die Ernte am vorteilhaftesten ist.“

Viele stickstofffixierende Mikroben könnten Pflanzen über die Stickstofffixierung hinaus zusätzliche Vorteile bieten, einschließlich der Förderung von Wachstum und Stresstoleranz. Die Autoren sagen, dass sich zukünftige Forschung auf die „Kombination“ dieser vielfältigen Vorteile konzentrieren sollte. Da diese Prozesse jedoch energieintensiv sind, schlagen die Forscher die Entwicklung mikrobieller Gemeinschaften vor, die aus mehreren Arten bestehen, die jeweils unterschiedliche Vorteile bieten, um „die Produktionslast auf mehrere Stämme zu verteilen“.

Die Autoren erkennen an, dass genetische Veränderung ein komplexes Thema ist und der großflächige Einsatz gentechnisch veränderter Organismen in der Landwirtschaft öffentliche Akzeptanz erfordern würde. „Es muss eine transparente Kommunikation zwischen Wissenschaftlern, Züchtern, Züchtern und Verbrauchern über die Risiken und Vorteile dieser neuen Technologien stattfinden“, schreiben die Autoren.

Es gibt auch das Problem der Bioeindämmung. Da Mikroben problemlos genetisches Material innerhalb und zwischen Arten austauschen, sind Maßnahmen erforderlich, um die Ausbreitung von transgenem Material in einheimische Mikroben in umliegenden Ökosystemen zu verhindern. Mehrere solcher Biocontainment-Methoden wurden im Labor entwickelt, zum Beispiel die Manipulation der Mikroben so, dass sie auf Moleküle angewiesen sind, die nicht natürlich verfügbar sind, was bedeutet, dass sie auf die Felder beschränkt werden, in denen die manipulierten Wirtspflanzen vorhanden sind, oder auf die Verkabelung die Mikroben mit „Kill-Schaltern“.

Die Autoren schlagen vor, dass diese Kontrollmaßnahmen wirksamer sein könnten, wenn sie geschichtet sind, da jede Maßnahme ihre Grenzen hat, und sie betonen die Notwendigkeit, diese manipulierten Pflanzen-Mikroben-Mutualismen unter den variablen Feldbedingungen zu testen, unter denen Nutzpflanzen angebaut werden.

„Die praktische Nutzung von Pflanzen-Mikroben-Interaktionen und ihr Übergang vom Labor zum Land stellen aufgrund der hohen Variabilität biotischer und abiotischer Umweltfaktoren und ihrer Auswirkungen auf Pflanzen, Mikroben und ihre Interaktionen immer noch eine Herausforderung dar“, schreiben die Autoren.

„Versuche in stark kontrollierten Umgebungen wie Gewächshäusern lassen sich oft nur schlecht auf die Feldbedingungen übertragen, und wir schlagen vor, dass manipulierte Stämme leichter in hochreplizierten Feldversuchen getestet werden sollten.“