Wo Pflanzen Wurzeln schlagen, da entfliehen auch viele organische Verbindungen. Dieser Prozess heißt auch „Wurzelexsudation“. Diese organischen Verbindungen beeinflussen das Bodenmikrobiom und damit auch Prozesse der landwirtschaftlichen Stickstoffdüngung. Durch Auswaschung und sogenannte „Denitrifikation“ gehen große Mengen an Dünger-Stickstoff als Nitrat aus dem Wurzelbereich verloren. Denitrifikation bedeutet, dass der im Nitrat gebundene Stickstoff durch Mikroorganismen im Boden zu molekularem Stickstoff und Stickoxiden umgewandelt wird. Die Landwirtschaft ist die Hauptquelle für den Großteil des Eintrags von reaktivem Stickstoff in die Erde. Doch wie nachhaltig kann der Stickstoffkreislauf in der Landwirtschaft gestaltet werden?

Perlhirse hält der Dürre stand

Eine Gruppe internationaler Wissenschafter*innen des Molecular Systems Biology (MOSYS) Lab und des Vienna Metabolomics Center (VIME) an der Universität Wien hat sich gemeinsam mit dem Center of Excellence for Genomics and Systems Biology (CEGSB) in Indien und dem Japan International Research Center for Agricultural Science (JIRCAS) Perlhirse-Genotypen näher angeschaut.

Die Forscher*innen haben dabei Unterschiede bei der Wurzelexsudation von Perlhirsesorten, die der Dürre ausgesetzt sind, festgestellt. Die Perlhirsesorten wiesen dabei eine unterschiedliche Verzögerung bei der Nitrifikation auf, auch bekannt als „biologische Nitrifikationshemmung“ (BNI). Was erklärt das? Perlhirsesorten können unterirdische Modifikationen bewirken, um unter Stressbedingungen zu überleben und die Produktivität in der Trockenregion zu erhalten. Sie passen sich ihrer Umgebung also an – wahre Überlebenskünstler!

Nitrifikationshemmung von Trockenstress beeinflusst

„Diese Studie liefert den ersten Nachweis sortentypischer Unterschiede in der Nitrifikationshemmung von Perlhirse, bei der die biologische Nitrifikationshemmung maßgeblich durch Trockenstress beeinflusst wird“, betont Wolfram Weckwerth: „Pflanzen, die unter Trockenstress stehen, unterliegen mikroklimatischen Veränderungen in ihrem Bodenlebensraum“. Dadurch werde der Sauerstoffpartialdruck, also der Anteil des Sauerstoffs am Gesamtdruck, und das Redoxpotential im Boden erhöht. Das beschleunige die Nitrifikation.

„Pflanzen können diese Oxidationsprozesse puffern und die lebenswichtigen Ammoniumressourcen schützen, indem sie über ihre Wurzeln oxidierbare Phenolverbindungen ausscheiden.“ Der Forscher fügt hinzu: „Wir beobachteten eine sortenspezifische Beziehung des verlängerten Wurzelwachstums mit der Wurzelexsudation und einem möglichen Einfluss auf die BNI-Aktivität unter Trockenstress.“

Bedeutung für eine nachhaltige Landwirtschaft

Arindam Ghatak von der Abteilung Molekulare Systembiologie (MOSYS) der Universität Wien ist sich sicher, dass die systematische Anwendung von Methoden beim Sammeln und Analysieren von Wurzelexsudaten ein tieferes Verständnis der unterirdischen Pflanzen-Boden-Interaktionen unter Stress – wie etwa Exposition gegenüber Trockenheit – ermöglicht, um dadurch die Resilienz der Pflanzen gegen die Klimaveränderungen zu verbessern. Es hilft auch bei der Vorhersage von Eigenschaften der Pflanze und der Pflanzen-Boden-Interaktion.

Die Landwirtschaft könnte so künftig die Stickstoffbelastung vermindern. Die zukünftige Entwicklung und der Einsatz von BNI-aktivierten Pflanzen wie Perlhirse und deren natürliche Biodiversität wird entscheidend für die Zukunft der Landwirtschaft. Denn schließlich können folglich stark stickstofffreisetzende Systeme in Distickstoffmonoxid-arme landwirtschaftliche Flächen umgewandelt werden.

Publikation in „Biology and Fertility of Soils“:
Ghatak A., Schindler F., Bachmann G. et al. (2021) Root exudation of contrasting drought-stressed pearl millet genotypes conveys varying biological nitrification inhibition (BNI) activity. Biol Fertil Soils.
DOI: 10.1007/s00374-021-01578-w

Biologische Nitrifikationshemmung (BNI) durch Wurzelexudate beeinflusst positiv den Stickstoffzyklus und verbessert die Stickstoffnutzungseffizienz der Pflanze. Diese Prozesse können zu einer ökologischeren Landwirtschaftspraxis mit weniger Stickstoffdünger und weniger Emmission von Klimagasen führen. Interessanterweise zeigen unterschiedliche Sorten von Perhirse auch unterschiedliche BNI Aktivitäten, was auch in der landwirtschaftlichen Praxis genutzt werden kann. (© Wolfram Weckwerth)