Wasser und Kohlendioxid aus der Luft, das scheinen die einzigen beiden Stoffe zu sein, die Pflanzen für ihre Ernährung benötigen. Tatsächlich sind aber vor allem Stickstoff, Phosphor und Schwefel von elementarer Bedeutung. Viele Pflanzen „arbeiten“ mit Pilzen oder Bakterien zusammen um genügend Nährstoffe aufnehmen zu können. Man nennt diese Lebensgemeinschaften zum gegenseitigen Nutzen Symbiosen.

Die Forscher, die sich mit der Nährstoffaufnahme von Pflanzen beschäftigen, wollen herausfinden, wie Pflanzen auf Nährstoffmangel oder Überangebot reagieren. Sie suchen nach Veränderungen in der Genexpression, im Stoffwechsel oder in Signalmolekülen. Die Forscher um Franziska Krajinski untersuchen, wie Pflanzen in Lebensgemeinschaft mit Pilzen und Bakterien mehr Stickstoff und Phosphor aufnehmen können. Mit der Schwefelaufnahme und -verarbeitung beschäftigt sich die Arbeitsgruppe um Rainer Höfgen.

Stickstoff – essentiell für Erbgut und Chlorophyll

Stickstoff ist das Element, was wir täglich ein- und ausatmen, denn unsere Luft besteht zu 78 Prozent daraus. Der Name kommt nicht von ungefähr, in reinem Stickstoff würden Lebewesen tatsächlich ersticken. Trotzdem ist er unerlässlich zum Aufbau von Proteinen, für die Basen der DNA und bei Pflanzen auch für den grünen Blattfarbstoff, das Chlorophyll.
Pflanzen, die unter Stickstoffmangel leiden, erkennt man oft an ihren gelblich verfärbten Blättern. Doch wenn wir von Stickstoff umgeben sind, geradezu in Stickstoff schwimmen, wie kann es dann bei Pflanzen zu Stickstoffmangel kommen?

Die Symbiose zwischen Knöllchenbakterien und Pflanzen
sorgt dafür, dass Pflanzen ausreichend mit Stickstoff
versorgt werden. © Franziska Krajinski

Knöllchenbakterien helfen bei der Stickstoffaufnahme

Das Problem ist, dass der Luftstickstoff von Pflanzen nicht aufgenommen werden kann. Nur lösliche Stickstoffverbindungen, wie Ammonium oder Nitrat, können von den Pflanzen über ihre Wurzeln absorbiert werden. Deshalb holen sich einige Pflanzen Hilfe von Bakterien. Hülsenfrüchtler, also Soyabohnen, Erbsen, Linsen oder Klee, arbeiten mit Knöllchenbakterien zusammen, die an den Wurzeln der Pflanzen kleine Knöllchen ausbilden und daher ihren Namen tragen. Diese Bakterien haben die Fähigkeit, Stickstoff aus der Luft zu fixieren, also in Ammonium oder Nitrat umzuwandeln. Diese Stoffe geben die Bakterien dann bereitwillig an die Pflanzen ab. Im Gegenzug erhalten sie von der Pflanze Zucker. Diese Lebensgemeinschaft hat für beide Seiten Vorteile und wird deshalb Symbiose genannt.

Phosphor – wichtiger Bestandteil der Energiebausteine der Zelle

Phosphor ist ebenfalls unersetzlicher Bestandteil unserer DNA und außerdem wichtig für den Energiestoffwechsel. Eine Phosphatverbindung, das ATP, bildet die Energieeinheit der Zellen. Unsere Phosphorvorräte auf der Erde werden immer knapper und das Element gilt als nicht-erneuerbare Ressource, die aus Apatitgesteinen gewonnen wird.
Bereits jetzt wird fast die gesamte globale Phosphorproduktion als Dünger in der Landwirtschaft eingesetzt, doch viele Experten sagen in den nächsten Jahrzehnten einen Phosphatmangel voraus. Schon jetzt würden die meisten Pflanzen unter Phosphatmangel leiden, gäbe es da nicht eine Zusammenarbeit mit arbuskulären Mykorrhizapilzen.

AM-Pilze gehen mit nahezu allen Landpflanzen eine Symbiose aus.
Sie liefern den Pflanzen Phosphat und erhalten als Ausgleich von der
Pflanze Zucker. Ohne AM-Pilze wären viele Böden schon nicht mehr
landwirtschaftlich nutzbar, weil sie nur noch wenig Phosphate enthalten.
© Franziska Krajinski

Pilze tauschen mit der Pflanze Phosphor gegen Zucker

Etwa 80 Prozent aller Landpflanzen leben in Symbiose mit diesen Pilzen, der Einfachheit halber auch AM-Pilze genannt. Sie durchziehen mit ihrem feinen Hyphennetz den Boden und können durch die vergrößerte Oberfläche mehr Phosphat absorbieren, als die Pflanzen mit ihren relativ wenigen Wurzeln. Das Phosphat leiten die Pilze an die Pflanzen weiter, diese bedanken sich dafür mit Zucker, den sie über die Photosynthese zur Genüge herstellen können.

Schwefel

Auch Schwefel gehört zu den Makronährstoffen, Pflanzen benötigen das Element zum Aufbau der Aminosäuren Methionin und Cystein und auch zur Abwehr von Schädlingen und Fraßfeinden. Ein Mangel an Schwefel führt zu starken Ertragsverlusten. Menschen sind außerdem darauf angewiesen, Methionin aus Pflanzen aufzunehmen, da wir diese Aminosäure nicht selbst bilden können.