Chemikalien aus Maiswurzeln beeinflussen den Weizenertrag

Maiswurzeln scheiden bestimmte Chemikalien aus, die die Qualität des Bodens beeinträchtigen. Auf einigen Feldern erhöht dieser Effekt die Erträge von Weizen, der nach Mais auf demselben Boden gepflanzt wird, um mehr als 4 %. Das haben Forscher der Universität Bern nachgewiesen. Die Ergebnisse mehrerer Feldexperimente zeigen zwar, dass diese Effekte sehr unterschiedlich sind, langfristig können sie aber dennoch dazu beitragen, den Getreideanbau nachhaltiger zu gestalten, ohne dass zusätzliche Düngemittel oder Pestizide erforderlich sind.

Pflanzen produzieren eine Fülle spezieller Chemikalien. Einige davon gelangen in den Boden und beeinflussen dessen Qualität. Dies wiederum wirkt sich auf die nächste Pflanze aus, die im Boden wächst. Bisher ist wenig erforscht, inwieweit die ausgeschiedenen Chemikalien in der Landwirtschaft zur Produktivitätssteigerung genutzt werden können.

Kürzlich haben Forscher des Instituts für Pflanzenwissenschaften (IPS) der Universität Bern jedoch Feldexperimente auf diesem Gebiet durchgeführt. Ihre Ergebnisse wurden im Fachjournal veröffentlicht eLifeDie Forscher zeigen, dass spezielle Stoffwechselprodukte aus den Wurzeln der Maispflanze unter landwirtschaftlich realistischen Bedingungen zu einer Ertragssteigerung des später angebauten Weizens führen können.

Wie Maiswurzelchemikalien Weizen beeinflussen

Aufgrund früherer Studien von Forschern des Instituts für Pflanzenwissenschaften (IPS) der Universität Bern war bekannt, dass sogenannte Benzoxazinoide – natürliche Chemikalien, die Maispflanzen über ihre Wurzeln freisetzen – die Zusammensetzung von Mikroorganismen im Mais verändern den Boden an den Wurzeln und beeinflussen so das Wachstum der nachfolgenden Pflanzen, die im Boden wachsen. In der vorliegenden Studie wurde untersucht, ob solche Pflanzen-Boden-Rückkopplungen auch unter realistischen landwirtschaftlichen Bedingungen auftreten.

„Solche Feldversuche sind unerlässlich, um die Übertragbarkeit der Grundlagenforschung in die Praxis zu testen und so den potenziellen agronomischen Nutzen abzuschätzen“, erklärt Valentin Gfeller, der als Doktorand am IPS an dem Projekt mitgearbeitet hat und heute am Forschungsinstitut für biologischen Landbau FiBL arbeitet . In einem zweijährigen Feldversuch wurden zunächst zwei Maislinien angebaut, von denen nur eine Benzoxazinoide in den Boden abgab. Auf den unterschiedlich konditionierten Böden wurden anschließend drei Sorten Winterweizen angebaut.

Auf dieser Grundlage konnte nachgewiesen werden, dass die Ausscheidung von Benzoxazinoiden die Keimung verbessert und die Bestockung, das Wachstum und den Ernteertrag steigert.

Weniger Schädlinge, gleiche Qualität

Neben der erhöhten Ernte wurde auch ein geringerer Befall durch einige Schädlinge beobachtet. „Eine Ertragssteigerung von 4 % mag nicht spektakulär klingen, ist aber dennoch bedeutsam, wenn man bedenkt, wie schwierig es geworden ist, die Weizenerträge ohne zusätzliche Inputs zu steigern“, erklärte Matthias Erb, Professor für Biotische Interaktionen am Institut für Pflanzenwissenschaften, der das Projekt leitete Studium zusammen mit Klaus Schläppi von der Universität Basel.

„Ob solche Effekte tatsächlich einen signifikanten Unterschied für die gesamte landwirtschaftliche Produktivität und Nachhaltigkeit machen, bleibt jedoch abzuwarten, da der Ertrag auch von vielen anderen Faktoren abhängt“, erklärt Erb. Die Studie zeigt das Potenzial des Einsatzes spezieller Pflanzenstoffe zur Verbesserung der Pflanzenproduktivität durch sortenspezifische Fruchtfolgen.

Im Rahmen der Interfakultären Forschungskooperation (IRC) „One Health“ der Universität Bern (siehe Kasten) konnte die Qualität des Weizens auch auf der Ebene einzelner chemischer Elemente untersucht werden. Gemeinsam mit dem Geographischen Institut der Universität Bern und Agroscope, dem Schweizer Kompetenzzentrum für Agrarforschung, konnte nachgewiesen werden, dass die Erntesteigerung durch Benzoxazinoide keinen negativen Einfluss auf die Weizenkornqualität hat.

Pflanzenchemikalien verbleiben im Boden

Um den zugrunde liegenden Mechanismus besser zu verstehen, führten die Forscher verschiedene Analysen des Bodens und der Wurzeln durch. Die Benzoxazinoid-produzierenden Pflanzen reichern diese Chemikalien und ihre Abbauprodukte im Boden nahe ihren Wurzeln an.

Darüber hinaus wurde in Zusammenarbeit mit der Universität Basel bestätigt, dass Benzoxazinoide die Gemeinschaft von Bakterien und Pilzen in und auf Maiswurzeln beeinflussen. Die Bodennährstoffe wurden jedoch nicht verändert. Auch im Boden erwiesen sich Benzoxazinoide als besonders persistent. Inwieweit das Weizenwachstum und der Gesamtertrag durch Benzoxazinoide über Bodenmikroorganismen direkt oder indirekt beeinflusst werden, wird Gegenstand weiterer Untersuchungen sein.

Bodeneigenschaften sind wichtig

Um die Auswirkungen von Bodeneigenschaften zu testen, führte das Forschungsteam zusammen mit der Universität Basel und Agroskop ein weiteres zweijähriges Feldexperiment durch, um zu untersuchen, wie sich diese Pflanzen-Boden-Rückkopplungen von Benzoxazinoiden in einem heterogeneren Feld auswirken. Die Zusammensetzung der Bodenchemie und der Mikroorganismen im betreffenden Feld variierte erheblich. Den Forschern gelang der Nachweis, dass der Einfluss der Benzoxazinoide auf das Wachstum und die Widerstandsfähigkeit von Weizen von dieser unterschiedlichen Zusammensetzung abhängt.

„Ein besseres Verständnis der Auswirkungen von Bodeneigenschaften auf Pflanzen-Boden-Rückkopplungen ist entscheidend für die zukünftige Nutzung in einer nachhaltigen Landwirtschaft“, erklärt Valentin Gfeller.