Pflanzen gehören zu den unerschrockensten Entdeckern der Erde. Vor etwa 460 Millionen Jahren, begannen die ersten Pflanzen, Seen und Flüsse zu verlassen und an Land zu erscheinen. Zu dieser Zeit bestand die Erdoberfläche größtenteils aus nacktem Gestein.
Diese Pioniere mussten beim Übergang von ihrem aquatischen Lebensstil außergewöhnliche Herausforderungen meistern. Die Pflanzen, die wir jetzt anbauen, um uns selbst zu ernähren, sind es Schwierigkeiten, sich anzupassen zu den neuen Extremen in unserem Klima. Aber es gibt eine Möglichkeit, sie zu schützen: ihre alte Widerstandskraft wiederzuerwecken.
Alle Pflanzen benötigen 17 Nährstoffe fürs Leben. Stickstoff, Phosphat und Kalium sind die wichtigsten. Ein begrenzter Vorrat an einem dieser Stoffe hemmt das Wachstum der Pflanze.
Also seit Jahrtausenden Der Mensch hat Nutzpflanzen domestiziert um die Produktion zu maximieren und sicherzustellen, dass die Pflanzen ausreichend mit den benötigten Nährstoffen versorgt werden. Unsere Vorfahren sammelten und verteilten Nachterde (menschliche Fäkalien) auf den Feldern, um sie zu düngen, und kämpften um die bedeckten Flächen nährstoffreicher Vogel-Guano.
In jüngerer Zeit haben Menschen eine geschaffen Welthandel in synthetischen Stickstoffdüngern. Der Aufstieg der menschlichen Zivilisation ist eng mit der Nutzung pflanzlicher Nährstoffe in der Landwirtschaft verbunden.
Diese vom Menschen verursachten Praktiken haben zwar die Nahrungsmittelproduktion angekurbelt, aber sie haben auch dazu geführt, dass die Ernte stagniert.
Alte Verbindungen
Pflanzen mussten einst ausgeklügelte evolutionäre Lösungen anwenden, um an Land zu überleben. Eine Möglichkeit, sich weiterzuentwickeln, bestand darin, eine zu schmieden symbiotisch (für beide Seiten vorteilhaft) Beziehung zu Bodenpilzen, arbuskuläre Mykorrhiza, die wie primitive Wurzeln fungierten, um diesen frühen Pflanzen den Zugang zu Nährstoffen aus dem Land zu erleichtern. Im Gegenzug erhielten die Pilze die von der Photosynthese gewonnene Energie der Pflanzen.
Unsere landwirtschaftlichen Praktiken haben diese symbiotischen Beziehungen unterdrückt.
Stattdessen verlassen wir uns beim Anbau unserer Nahrungsmittel auf chemische Düngemittel, die für beides verantwortlich sind Treibhausgasemissionen und landwirtschaftliche Umweltverschmutzung und sind für Kleinbauern, die a anbauen, weitgehend unerschwinglich Drittel der weltweiten Nahrungsmittelversorgung.
Ich glaube jedoch, dass diese symbiotischen mikrobiellen Beziehungen keineswegs eine alte Geschichte sind, sondern immer noch relevant dafür sind, wie wir unsere Lebensmittel heute produzieren sollten oder könnten.
Pflanzen entwickelten schließlich teilweise ihre eigenen Wurzeln Vor 350–400 Millionen Jahrenaber sie machten sich weiterhin diese Pilzbeziehung zunutze, um die Nährstoffaufnahme aus dem Land und dem Boden zu unterstützen.
Dann, vor etwa 100 Millionen Jahren, entwickelten sich einige Pflanzen – die wir heute als Hülsenfruchtfamilie kennen, darunter Bohnen, Erbsen und Linsen – Beziehung zu Bakterien in der Erde. Die Bakterien, genannt Rhizobieninfizieren die Wurzeln von Hülsenfrüchten und spalten mithilfe eines Enzyms Stickstoff aus der Luft in eine für die Pflanze zugängliche Substanz auf.
Wildpflanzen nutzen noch immer diese urzeitlichen Assoziationen, um diese zu erlangen entscheidende Nährstoffe. Die Eigenschaften, die Pflanzen benötigen, um die symbiotischen Beziehungen zu aktivieren, werden in den Nahrungsmittelproduktionssystemen der Welt größtenteils nicht genutzt oder nicht ausreichend genutzt.
Vielversprechende Forschung
Wissenschaftler sind arbeiten, um zu verstehen Wie Pflanzen mit diesen Bodenmikroorganismen interagieren, damit wir sie reaktivieren können. Die Nahrungsmittelproduktion muss gesteigert werden die wachsende Weltbevölkerung ernähren. Dennoch ist es in seiner jetzigen Form nicht nachhaltig etwa die Hälfte der Weltbevölkerung ist für die Nahrungsmittelproduktion auf Düngemittel angewiesen.
Allein die Lieferkette für synthetischen Stickstoff ergab eine Schätzung 10 % der landwirtschaftlichen Treibhausgasemissionen im Jahr 2018 und ist häufig außerhalb der Reichweite für Kleinbauern in Afrika, die auf einigen der am stärksten erschöpften Flächen der Welt arbeiten.
Aktuelle Forschung Die Untersuchung von Pflanzengenen hat uns etwas mit tiefgreifender Bedeutung verraten. Unsere Getreidepflanzen verfügen über denselben uralten genetischen Mechanismus wie Hülsenfrüchte, der es ihnen ermöglicht, mit stickstofffixierenden Bakterien in Kontakt zu treten.
Als Hülsenfrüchte vor 100 Millionen Jahren die Fähigkeit entwickelten, sich mit stickstofffixierenden Bakterien zu verbinden, nutzten sie viele der in ihrer Biologie bereits vorhandenen Prozesse, um mit arbuskulären Mykorrhizapilzen zu interagieren. Getreide hat diesen evolutionären Trick verfehlt: Es hatte sich evolutionär gesehen bereits von Hülsenfrüchten unterschieden.
Die gute Nachricht ist, dass die Forschung darauf hindeutet, dass es möglich ist, die einzigartigen stickstofffixierenden Eigenschaften von Hülsenfrüchten auf andere Nahrungspflanzen zu übertragen.
In den letzten Jahren haben Forscher dramatisch erhöht unser Verständnis darüber, wie Pflanzen mit nützlichen Mikroorganismen interagieren. Zumindest im Labor können wir Getreidepflanzen dazu anregen, proaktiver mit nützlichen Pilzen zu interagieren, und zwar unter Bedingungen, die ein stark gedüngtes Feld nachbilden, und damit beginnen, die Prozesse zu rekapitulieren, die wir in Hülsenfrüchten sehen und die für die Unterbringung stickstofffixierender Bakterien notwendig sind. Forscher trainieren Pflanzen neu, um nach nützlichen Mikroorganismen zu suchen.
Diese Entdeckungen sind von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung von Getreide, das ohne unsere Hilfe Stickstoff binden und durch Wechselwirkungen mit Pilzen auf andere essentielle Nährstoffe zugreifen kann. Wir wissen jetzt, dass alle Pflanzen über den grundlegenden Mechanismus verfügen, der bisher nur Hülsenfrüchten zur Verfügung stand, um Interaktionen mit nützlichen Bakterien zu ermöglichen.
Wir können dafür sorgen, dass unsere Pflanzen proaktiver und produktiver mit nützlichen Pilzen und Bakterien interagieren. Und wir müssen nicht bei Null anfangen, um Getreide zu entwickeln, um unabhängiger zu sein.
Allerdings wird es nicht einfach sein. Bei der Übertragung der Fähigkeit, Stickstoff an Getreide zu binden, sind mehrere komplizierte Prozesse beteiligt, zu denen auch die Entwicklung der Funktion gehört, nützliche Bakterien zu erkennen.
In Zukunft könnte es möglich sein, Pflanzen ohne große Mengen chemischer Düngemittel anzubauen. Dies könnte nicht nur das Schicksal von Kleinbauern in Ländern mit niedrigem Einkommen verändern, die keinen Zugang zu Düngemitteln haben, sondern auch die Umweltverschmutzung und Treibhausgasemissionen der Landwirtschaft verringern. Es würde auch die Auswirkungen von Schocks wie Düngemittelknappheit und Preisspitzen, die durch den Konflikt in der Ukraine verursacht wurden, verringern.
Obwohl die unterirdischen Beziehungen zwischen Pflanzen und Mikroorganismen weitgehend unsichtbar bleiben, könnten sie der Schlüssel zu großen Durchbrüchen in der Zukunft der Landwirtschaft sein.
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