Wie sich Pflanzen an Stickstoffmangel anpassen

Bestimmte Genvarianten lösen bei niedrigen Stickstoffgehalten eine Signalkette aus, die ein stärkeres Wurzelwachstum anregen und so die Stickstoffverwertung verbessern

Forschung: Wie sich Pflanzen an Stickstoffmangel anpassen

Weizensorten mit einer bestimmten NPF2.12-Genvariante (rechts) verfügen bei wenig Stickstoff im Boden über ein deutlich besseres Wurzelwachstum als Sorten ohne diese Genvariante (links).

Stickstoff kann als Dünger Erträge steigern. Ein Zuviel hat aber auch negative Auswirkungen: etwa durch Belastungen des Grundwassers, einen hohen Energieaufwand bei der Dünger-Produktion und die Erzeugung klimarelevanter Gase. Die Wissenschaft sucht deshalb nach Wegen, wie Kulturpflanzen mit weniger Stickstoff auskommen. Forschende der Universität Bonn haben nun Genvarianten des Nitratsensors NPF2.12 entdeckt, die bei niedrigen Stickstoffgehalten im Boden eine Signalkette auslösen. Dadurch wird ein stärkeres Wurzelwachstum induziert, und die Pflanzen verbessern die Stickstoffverwertung. Die Studie wurde vorab online in „New Phytologist“ publiziert. Nun ist die finale Fassung erschienen.

„Wir haben eine große Anzahl von Weizen- und Gerstengenotypen unter verschiedenen Stickstoffversorgungsbedingungen untersucht und ihre Wurzelarchitektur und die Anreicherung von Stickstoff in den Pflanzen analysiert“, sagt Erstautor Md. Nurealam Siddiqui von der Pflanzenzüchtung am Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz (INRES) der Universität Bonn. Die Forschenden untersuchten insgesamt mehr als 220 unterschiedliche Weizen- und Gerstensorten aus dem letzten halben Jahrhundert der Pflanzenzüchtung. „Die untersuchten Weizensorten wurden so ausgewählt, dass sie die Züchtungsgeschichte der letzten 60 Jahre abdecken“, erläutert Prof. Dr. Jens Léon von der INRES-Pflanzenzüchtung.

Auf dem Campus Klein-Altendorf der Universität Bonn untersuchten die Forschenden diese sehr unterschiedlichen Sorten jeweils auf Versuchsflächen mit hohen Stickstoffgehalten und zum Vergleich auf Flächen mit geringer Stickstoffapplikation. Anschließend analysierte das Team unter anderem jeweils die Wurzelmerkmale sowie die Stickstoffgehalte der Blätter und Körner und führte genomweite genetische Analysen durch, um Korrelationen zwischen DNA-Sequenzen und den entsprechenden Merkmalen zu finden, erklärt Prof. Léon weiter.

Mehr Wurzeln holen mehr Stickstoff aus dem Boden

Bei der Auswertung stießen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf NPF2.12. Bestimmte Varianten dieses Gens führten dazu, dass bei schlechter Stickstoffversorgung im Boden die Pflanzen größere Wurzelsysteme ausbildeten. „Wahrscheinlich fungiert das Gen beziehungsweise das von ihm kodierte Protein als Sensor, der bei geringen Stickstoffgehalten im Boden abgeschaltet werden muss, um indirekt über eine Signalkette den Botenstoff Stickstoffmonoxid zu erhöhen, der wiederum zu vermehrtem Wurzelwachstum führt und dadurch die Stickstoffverwertung verbessert“, sagt Korrespondenzautor Dr. Agim Ballvora von der INRES-Pflanzenzüchtung.

„Unter niedrigen Stickstoffbedingungen und in Anwesenheit bestimmter Varianten des NPF2.12-Gens ist ein erhöhter Stickstoffgehalt in Blättern und Körnern feststellbar“, sagt Ballvora, der auch mit dem Exzellenzcluster PhenoRob der Universität Bonn zusammenarbeitet. Die Erträge dieser Sorten nehmen somit auch unter widrigen Bedingungen zu, ergänzt Siddiqui.

Dass NPF2.12 dafür tatsächlich verantwortlich ist, wiesen die Forschenden im Labor und Gewächshaus nach: Weizenpflanzen mit einem Defekt im NPF2.12 Gen, wurden analysiert. Bei schlechter Stickstoffversorgung verhielten sich entsprechende NPF2.12-Linien wie Sorten, die von Haus aus über die hilfreiche Genvariante verfügen. „Diese Ergebnisse zeigen, dass NPF2.12 ein Negativregulator ist, dessen verringerte Expression in entsprechenden Sorten durch einen ausgeklügelten Mechanismus zu mehr Wurzelwachstum und höheren Stickstoff-Gehalten im Spross führt“, erklärt Prof. Dr. Gabriel Schaaf, Mitglied des Exzellenzclusters PhenoRob aus der INRES-Pflanzenernährung.

Varianten des Nitratsensors NPF2.12 helfen bei der Stickstoffverwertung

Die Studie ist in der Grundlagenforschung angesiedelt, aber auch wegweisend für die Pflanzenzüchtung. „Ein besseres Verständnis der genetischen und molekularen Funktion der Stickstoff-Sensorik wird die Züchtung von Sorten mit verbesserter Stickstoff-Nutzungseffizienz beschleunigen“, blickt Ballvora in die Zukunft. Hierfür müssten aber die einzelnen Schritte der Signalkette des Sensors NPF2.12, die bei Stickstoffmangel zu einem stärkeren Wurzelwachstum führen, noch besser verstanden werden.

Beteiligte Institutionen und Förderung

An der Studie waren die Pflanzenzüchtung und die Pflanzenernährung am Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz (INRES) sowie der Campus Klein-Altendorf der Universität Bonn, darüber hinaus das Institut für Quantitative Genetik und Genomik der Pflanzen und der Exzellenzcluster Pflanzenwissenschaften CEPLAS der Universität Düsseldorf beteiligt. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und der Deutsche Akademische Austauschdienst (DAAD) förderten das Projekt.


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