Forscher der Universität Aarhus haben sieben natürlich vorkommende Weizenwurzelverbindungen identifiziert, die nitrifizierende Bodenbakterien genauso stark unterdrücken wie synthetische Nitrifikationshemmer und so einen potenziellen Züchtungsweg für Weizensorten eröffnen, die mehr ausgebrachten Stickstoff zurückhalten, ohne dass zusätzliche chemische Zusätze oder Ertragseinbußen erforderlich sind.
Das Stickstoffproblem, mit dem die Landwirtschaft weiterhin konfrontiert ist
Weniger als die Hälfte des als Dünger ausgebrachten Stickstoffs wird tatsächlich von den Pflanzen aufgenommen, der Rest geht durch Auswaschung in Gewässer oder gasförmige Emission in die Atmosphäre als Lachgas, ein starkes Treibhausgas, verloren. Jahrzehntelang bestand die primäre Reaktion darin, die Anwendungsmengen zu begrenzen und synthetische Nitrifikationsinhibitoren einzuführen. Dabei handelt es sich um Chemikalien, die die mikrobielle Umwandlung von Ammonium in Nitrat verlangsamen, aber kostspielig sind, eine wiederholte Anwendung erfordern und sich auf Nichtziel-Bodenorganismen auswirken können.
Das Aarhus-Team unter der Leitung der Postdoktorandin Purna Kumar Khatri untersuchte, ob Weizen selbst eine Version dieser Funktion biologisch erfüllen könnte. Ihre Arbeit konzentriert sich auf die biologische Nitrifikationshemmung, einen Prozess, bei dem Pflanzenwurzeln natürliche Verbindungen freisetzen, die die nitrifizierenden Mikroben unterdrücken, die für die Umwandlung von Ammonium in die zur Auswaschung anfälligere Nitratform verantwortlich sind.
Was sind Benzoxazinoide?
Benzoxazinoide sind sekundäre Metaboliten, die auf natürliche Weise von Getreidepflanzen wie Weizen, Mais und Roggen produziert werden und traditionell auf ihre Rolle bei der Pflanzenabwehr gegen Insekten, Unkräuter und Nematoden untersucht werden. Die Aarhus-Forscher untersuchten 18 verschiedene Benzoxazinoidverbindungen mithilfe eines Biolumineszenztests mit Nitrosomonas europaea, einem nitrifizierenden Modellbakterium, und fanden sieben -, darunter BOA, MBOA, DIBOA und DIMBOA -, die in der Lage sind, die Nitrifikation bei relativ niedrigen Konzentrationen stark zu unterdrücken. Da diese Verbindungen von der Pflanze selbst produziert und freigesetzt werden und nicht äußerlich angewendet werden, bieten sie einen grundlegend anderen Abgabemechanismus als synthetische Inhibitoren: eine kontinuierliche, lokale Freisetzung genau dort und wann die Pflanze den verfügbaren Stickstoff schützen muss.
Entwickelte Weizenlinien zeigen, dass der Effekt verstärkt werden kann
In der Studie wurde eine herkömmliche Weizenelternlinie mit zwei Weizenlinien verglichen, die ein Chromosomenfragment von Leymus racemosus trugen, einem Wildgras, von dem bekannt ist, dass es die Eigenschaften der biologischen Nitrifikationshemmung verstärkt. Bei hydroponischem Anbau setzten die verbesserten Linien deutlich höhere Konzentrationen an aktiven Benzoxazinoiden frei als die Elternlinie, und ihre Wurzelausscheidungen unterdrückten die Nitrifikation bis zu doppelt so stark -, ein Ergebnis, das direkt mit den gemessenen höheren Konzentrationen der Verbindungen korrelierte.
Die von den Forschern zitierten Modellierungsarbeiten deuten darauf hin, dass durch biologische -Nitrifizierung-Hemmung- aktivierte Nutzpflanzen die Stickstoffverluste um 20 bis 30 % reduzieren könnten, und frühe Feldversuche haben gezeigt, dass mit dieser Eigenschaft keine Ertragseinbußen verbunden sind, was bedeutet, dass Landwirte im Prinzip weniger Dünger ausbringen könnten, während sie vergleichbare Getreidemengen ernten. Khatri sagte, das Ausmaß der Chance sei selbst bei bescheidenen Effizienzgewinnen erheblich: „Wenn man die Stickstoffnutzungseffizienz unter realen Feldbedingungen auch nur um zehn Prozent steigern kann, sind die absoluten Einsparungen bei Düngemitteln und Emissionen enorm.“
Von der Chemie zum Zuchtziel
Das langfristige Ziel besteht darin, die chemischen Erkenntnisse in eine Züchtungsstrategie umzusetzen: Sobald Forscher herausgefunden haben, welche Biosynthesewege die wirksamsten Nitrifikations--hemmenden Verbindungen produzieren, könnten Pflanzenzüchter Weizensorten auswählen, die die Merkmale stärker ausdrücken, ohne dass Landwirte ihre Praktiken ändern oder neue Betriebsmittel kaufen müssen. Die Forschung ist Teil des umfassenderen internationalen CropSustain-Projekts, in dem parallele Forschungsgruppen untersuchen, wie sich diese Merkmale über längere Zeiträume auf Bodenmikrobiome und Nicht{3}}Zielorganismen auswirken - eine Frage, die für die regulatorische und kommerzielle Umsetzung von Bedeutung ist, selbst wenn sich die zugrunde liegende Biologie als robust erweist.
Die Ergebnisse kommen zu einem Zeitpunkt, an dem die globalen Stickstoffmärkte nach der Störung in der Straße von Hormus volatil bleiben, die die Harnstoffpreise Anfang des Jahres auf nahezu Rekordhöhen trieb, bevor es zu einer teilweisen Korrektur kam. Während sich die Zeitpläne für die Züchtung von Weizensorten, die die Nitrifikation-hemmen, auf mehrere Jahre erstrecken und keine unmittelbare Linderung bieten, trägt die Forschung zu einer wachsenden Zahl biologischer Alternativen bei, - neben mikrobiellen Stickstoff-Fixierungsprodukten, die bereits von Unternehmen wie Pivot Bio- kommerzialisiert werden und die die strukturelle Abhängigkeit des Agrarsektors von synthetischen Stickstoffeinträgen schrittweise verringern könnten.
Die Studie „Benzoxazinoide als Kandidatenverbindungen für die biologische Nitrifikationshemmung in Weizen“ wurde in Plant Physiology and Biochemistry veröffentlicht und in Zusammenarbeit mit der Universität Kopenhagen, der Universität Aberdeen und dem International Maize and Wheat Improvement Center (CIMMYT) in Mexiko durchgeführt, das Saatgut für den Versuch bereitstellte.
