Dr. Mutsutomo Tokizawa (Ph.D.), Postdoktorand am Global Institute for Food Security (GIFS), ist der Hauptautor einer neuen Studie zusammen mit Dr. Leon Kochian (Ph.D.), Canada Excellence Forschungslehrstuhl für globale Ernährungssicherheit bei USask und Forschungsgruppenleiter bei GIFS. Die Forscher haben einen neuartigen Regulierungsmechanismus identifiziert, der Pflanzenwurzeln dabei hilft, Ressourcen in stickstoffarmen Böden zu schonen und diese für ein verstärktes Wachstum der Pfahlwurzel zu nutzen, die auf der Suche nach Bereichen mit höheren Nährstoffkonzentrationen tiefer in den Boden eindringen kann.
Die Ergebnisse unterstützen langfristige Initiativen zur Entwicklung neuer Nutzpflanzensorten mit wurzelbezogenen Merkmalen, die landwirtschaftlichen Erzeugern dabei helfen, den Düngemitteleinsatz zu optimieren.
„Stickstoff ist der wichtigste Nährstoff für das Pflanzenwachstum, und die Aufnahme von Nitrat aus den Wurzeln hat einen großen Einfluss auf die Produktivität und Qualität der Pflanzen“, sagte Tokizawa.
„Die Wurzelarchitektur verändert sich dramatisch entsprechend den Veränderungen der Nitratkonzentration im Boden, und eines unserer Ziele bei GIFS ist die Entwicklung besserer Wurzeln in Nutzpflanzen, die zur globalen Ernährungssicherheit beitragen“, sagte Tokizawa.
Pflanzen absorbieren mehr Stickstoff als jeder andere Nährstoff, weshalb stickstoffbasierte Produkte den Großteil der mehr als 200 Millionen Tonnen Stickstoff-, Phosphor- und Kaliumdünger ausmachen, die jedes Jahr von Agrarproduzenten auf der ganzen Welt gekauft werden.
Tokizawas Studie, die kürzlich in der veröffentlicht wurde Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (PNAS) untersucht, wie Pflanzen reagieren, wenn Nitrat, die primäre Form, in der Pflanzen stickstoffbasierte Düngemittel wie Ammoniak oder Harnstoff aufnehmen, nicht sofort verfügbar ist.
Das Projekt wurde in der Pandemie geboren: Tokizawa war Anfang 2020 nicht in der Lage, seine erwartete Laborarbeit durchzuführen, und begann damit, Daten aus seiner Abschlussarbeit an der Gifu-Universität in Japan zu überarbeiten, wo er in dem Labor arbeitete, das zunächst ein interessantes Protein namens STOP1 identifizierte werden mit pflanzlichen Reaktionen auf Phosphor und Kalium in Verbindung gebracht.
In der Arbeit arbeitete Tokizawa mit Mitarbeitern der Gifu-Universität und anderen Kollegen in Kochians Forschungsgruppe Wurzel-Boden-Mikroben-Interaktion am GIFS zusammen, um eine Reihe von Experimenten an Arabidopsis-Pflanzen durchzuführen, die zeigten, dass STOP1 das Wachstum seitlicher Pflanzenwurzeln hemmt, die aus der Primärwurzel wachsen Pfahlwurzel pflanzen – bei Nitratmangel.
Die Studie ist die erste, die feststellt, dass STOP1 an Pflanzenreaktionen auf alle drei wichtigen Düngemittelnährstoffe – Stickstoff, Phosphor und Kalium – beteiligt ist, die für das Pflanzenwachstum erforderlich sind.
„Es war überraschend zu sehen, dass STOP1 das Protein ist, das an einer Reihe dieser Interaktionen beteiligt ist, aber je mehr wir über Pflanzen erfahren, desto mehr lernen wir, wie komplex sie sind, insbesondere im Hinblick auf die Reaktion der Pflanzen auf Stress“, sagte Tokizawa, der es ist erhält im September den Outstanding Young Researcher Award der japanischen Gesellschaft für Bodenkunde und Pflanzenernährung.
Tokizawa sagte, die Entdeckung des Teams wirfe mehrere Fragen für zukünftige Forschungen auf. Das Netzwerk der Regulierungsbehörden, die diese Wechselwirkungen steuern, sei äußerst kompliziert und es seien zusätzliche Arbeiten erforderlich, um genau zu verstehen, wie Pflanzen erkennen, dass in einem Gebiet wenig Nitrat vorhanden ist, erklärte er.
Kochians Programm an der GIFS untersucht die Wechselwirkungen zwischen Wurzeln, dem Boden und den Mikroorganismen im Boden, die einen wesentlichen Einfluss auf die Bodenfruchtbarkeit und die Pflanzengesundheit haben. Das Verständnis dieser Wechselwirkungen ist entscheidend für die Steigerung der Erträge und die Förderung nachhaltiger landwirtschaftlicher Systeme in anspruchsvollen – und sich verändernden – Umgebungen.
„Es ist klar, dass Wurzeln noch relativ unerforschte Bereiche der Pflanzenzüchtung und Nutzpflanzenverbesserung sind, aber sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Reaktion der Nutzpflanzen auf den Klimawandel, insbesondere Dürre und Überschwemmungen“, sagte Kochian.
„Größere Wurzeln können auch mehr Kohlenstoff im Boden binden. Aus all unserer Arbeit haben wir herausgefunden, dass eine Vergrößerung des Wurzelsystems erreicht werden kann, ohne zu viel Pflanzenkohlenstoff zu verbrauchen, der auch für den Samenertrag benötigt wird, und dies erhöht die Stickstoff-, Phosphor- und Kaliumaufnahme.“ Effizienz. Das Ergebnis sind optimierte Düngemitteleinsätze und -kosten für die Landwirte sowie geringere Umweltbelastungen und geringere Kosten für die Beseitigung von Stickstoff- und Phosphorabflüssen.“
Mehr Informationen:
Mutsutomo Tokizawa et al. Die Transkriptionsfaktoren STOP1 und TCP20 sind für Veränderungen der Wurzelsystemarchitektur als Reaktion auf Nitratmangel erforderlich. Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2023). DOI: 10.1073/pnas.2300446120