Während Agrarproduzenten Stickstoffdünger einsetzen, um ihre Nutzpflanzen mit Nährstoffen zu versorgen, gelingt es ihnen nicht immer, diese Nährstoffe mit maximaler Effizienz im Boden zu behalten. Häufig gelangen sie in Form von Nitraten und Lachgas in die Atmosphäre oder in die Wasserversorgung.
Ein Forschungsteam von Texas A&M AgriLife arbeitet an der Entwicklung von Pflanzensorten – angefangen mit Sorghum –, die den Stickstoffverlust minimieren und so die Inputkosten für die Landwirte sowie den Ausstoß von Treibhausgasen in die Atmosphäre verringern.
Das Projekt wird von Dr. Nithya Rajan geleitet, die kürzlich zur Direktorin des Zentrums für Treibhausgasmanagement in Landwirtschaft und Forstwirtschaft ernannt wurde. Rajan ist Pflanzenphysiologin bei AgriLife Research und Professorin für Agronomie und Agrarökologie an der Abteilung für Boden- und Pflanzenwissenschaften des Texas A&M College of Agriculture and Life Sciences.
Vor fünf Jahren initiierte Rajan die Studie, „Innovative Sorghum-basierte Produktionssysteme mit biologischer Nitrifikationshemmung zur Verbesserung der Nachhaltigkeit von Agrarökosystemen.“
Sie und ihr Team haben nun vielversprechende Ergebnisse bei der Entwicklung einer Eigenschaft vorzuweisen, die gut für die Pflanze, den Erzeuger und den Planeten ist.
„Die BNI-Eigenschaft unterdrückt die Nitrifikation, einen mikrobiellen Prozess, der aus Düngemitteln gewonnenes Ammonium im Boden in Nitrat umwandelt, und lässt nicht zu, dass es als Nitrat ins Wasser oder als Distickstoffoxid als Treibhausgas entweicht.“
Nitrifikation, Denitrifikation und biologische Nitrifikationshemmung
Nitrifikation und nachfolgende Denitrifikation fördern den Stickstoffverlust auf landwirtschaftlichen Feldern und sind größtenteils die eigentliche Ursache für die geringe Stickstoffeffizienz der meisten Feldfrüchte sowie für die Emission von Distickstoffmonoxid, einem hochwirksamen Treibhausgas, sagte Rajan.
In der heutigen Landwirtschaft müssen die Erzeuger für Düngemittel mit Nitrifikationshemmer extra bezahlen, um die Wirkung des ausgebrachten Düngers zu erhalten.
Es ist jedoch bekannt, dass einige Pflanzen die Nitrifikation unterdrücken können, indem sie Hemmstoffe aus ihren Wurzeln freisetzen, eine Eigenschaft, die als biologische Nitrifikationshemmung (BNI) bekannt ist, sagte sie. Die BNI-Eigenschaft trägt dazu bei, Stickstoff für längere Zeit im Boden zu halten, um seine Aufnahme durch Pflanzen zu erleichtern und den Verlust von Stickstoff in Form von Lachgas zu verringern, einem wichtigen Treibhausgas, das hauptsächlich von Ackerflächen ausgestoßen wird.
Rajan und Sakiko Okumoto, Ph.D., Pflanzenphysiologin bei AgriLife Research und außerordentliche Professorin in der Abteilung für Boden- und Pflanzenwissenschaften, haben Sorghum-Genotypen aus dem Sorghum-Zuchtprogramm unter der Leitung von Bill Rooney, Ph.D., Sorghum-Züchter bei AgriLife Research, Professor und Inhaber des Borlaug-Monsanto-Lehrstuhls für Pflanzenzucht und internationale Pflanzenverbesserung, untersucht.
Diejenigen Tiere mit dem BNI-Merkmal wurden drei Jahre lang Feldtests unterzogen, um die Verringerung des Stickstoffverlusts in Form von Nitrat und Lachgas zu bestätigen.
„Dies ist eine neue Forschungsinitiative von Texas A&M AgriLife Research und wir sind Vorreiter bei der gezielten Entwicklung klimafreundlicher Nutzpflanzen mit dieser Eigenschaft“, sagte Rajan.
„Unsere Felddaten zeigen eine erhebliche Reduzierung der Treibhausgasemissionen. Wir glauben, dass wir klimafreundliche Sorghumsorten entwickeln können, um die Düngemitteleffizienz zu verbessern und die Stickoxidemissionen zu reduzieren.“
Das Feld eingrenzen
Die Arbeit ermöglichte es Okumoto, bestimmte Genkombinationen zu identifizieren, die für das BNI-Merkmal verantwortlich sind. „Wir konnten ein Modell erstellen, um die Linien vorherzusagen und auszuwählen, von denen wir glauben, dass sie gut sein werden … Jetzt haben wir einen klaren Weg, dieses Modell in das Zuchtprogramm einzuführen und zu nutzen, um es noch besser zu machen“, sagte Okumoto.
Das Team glaubt, dass sie gerade erst am Anfang stehen, da sie sich bisher nur einen winzigen Bruchteil dessen angesehen haben, was Rooney in seinem Zuchtprogramm hat.
„BNI ist ein vererbbares Merkmal“, sagte Rooney. „In unserem aktuellen Keimplasmapool gibt es eine erhebliche Variabilität dieses Merkmals, und wir können das Merkmal deutlich verbessern.“
Es sei wichtig, sicherzustellen, dass es zu keinen Ertragseinbußen kommt, sagte Rajan. Sie wollen in allen wichtigen Sorghum-Anbaugebieten umfangreiche Feldversuche durchführen, um optimale Managementmethoden zu entwickeln, die den Landwirten zeigen, wie weit sie ihre Düngemittelmenge reduzieren können, ohne dass es zu Ertragseinbußen kommt.
Ihre aktuellen Daten zeigen, dass die Wirkung des Nitrifikationshemmers gezielt auf die nitrifizierenden Mikrobenpopulationen abzielt und nur minimale Auswirkungen auf die gesamten Bodenmikrobiome hat. Sanjay Antony-Babu, Assistenzprofessor und Bodenmikrobiologe bei AgriLife Research, untersucht die Wirkung von BNI auf verschiedene Bodenmikroorganismen. Diese Forschung ist von entscheidender Bedeutung, um die Bodengesundheit zu gewährleisten, da die mit der mikrobiellen Vielfalt verbundene Wirkung von BNI nicht negativ beeinflusst wird.
Bioenergie-Sorghum ist eine Zielpflanze
Neben Körner- und Futtersorghum ist Bioenergiesorghum eine Nutzpflanze, die das BNI-Merkmal enthalten soll, sagte Rooney. Bioenergiesorghum ist ein relativ neues Konzept, das von AgriLife Research in Rooneys Sorghumzuchtlabor entwickelt wurde.
Bei Bioenergie-Sorghum handelt es sich um eine spezielle Sorghumart, die über eine lange Saison wächst und kein Korn produziert, was eine größere Dürretoleranz und einen höheren Ertrag an zellulosehaltiger Biomasse ermöglicht, sagte er.
Wie bei Körner- und Futtersorghum sollte die Einbeziehung des BNI-Merkmals die für die Produktion erforderliche Menge an Stickstoffdünger verringern und die Nutzungseffizienz des eingesetzten Stickstoffs erhöhen, sagte Rooney.
Wie geht es weiter?
Das ultimative Ziel, so Rajan, sei die Entwicklung eines klimafreundlichen Sorghums, das nicht nur die Kosten für Düngemittel senkt, sondern auch zur Verringerung des ökologischen Fußabdrucks beiträgt. Eine klimafreundliche Ernte bietet dem Erzeuger die Möglichkeit, für diese Praktiken Anerkennung zu erhalten und gleichzeitig der Umwelt zu nützen.
„Stickstoff ist für die Nahrungsmittelproduktion unverzichtbar, aber sein Einsatz kann auch Probleme verursachen“, sagte sie. „Die Entwicklung klimafreundlicher Pflanzensorten ist eine hervorragende Lösung, da sie verhindern kann, dass Stickstoff in großem Umfang über das Wasser oder als Treibhausgas entweicht.“