Forscher der New York University haben ein Protein identifiziert, das als molekulares Stoppsignal für die Stickstoffaufnahme in Pflanzen fungiert. Diese Entdeckung könnte Züchtern schließlich ein genetisches Ziel für die Entwicklung von Nutzpflanzen liefern, die Düngemittel weitaus effizienter nutzen. Die in The Plant Cell veröffentlichte Studie konzentriert sich auf einen Transkriptionsfaktor namens HHO5.
Wie HHO5 als Stickstoffbremse funktioniert
Das NYU-Team fand heraus, dass HHO5 einer Pflanze mitteilt, wann sie genügend Stickstoff aufgenommen hat und aufhören kann, mehr Stickstoff aus dem Boden aufzunehmen. Wenn der Stickstoffgehalt in der Pflanze einen Schwellenwert erreicht, steigt die HHO5-Expression und löst eine Kaskade nachgeschalteter Genveränderungen aus, die die Aufnahmemaschinerie effektiv lahmlegen. Das Protein reagiert speziell auf organischen Stickstoff, die Form, die Pflanzen für den Transport, die Speicherung und die Synthese von Aminosäuren, die für die menschliche Ernährung wichtig sind, über große Entfernungen nutzen.
„Durch die Identifizierung von Genregulatoren, die auf unterschiedliche Mengen und Arten von Stickstoff reagieren, haben wir einen regulatorischen Faktor entdeckt, der den Stickstoffverbrauch steuert und einen Schlüssel zur Verbesserung der Stickstoffaufnahme und -assimilation in organischen Stickstoff in Pflanzen darstellt“, sagte Gloria Coruzzi, Carroll- und Milton-Petrie-Professorin am Department of Biology and Center for Genomics and Systems Biology der NYU und leitende Co-Autorin der Studie.
Warum die Stickstoffeffizienz von Pflanzen für Düngemittel wichtig ist
Weltweit verbrauchen Kulturpflanzen nur etwa 30–50 % des auf den Feldern ausgebrachten Stickstoffdüngers. Der Rest entweicht als Nitrat in Gewässer oder gelangt als Lachgas in die Atmosphäre, ein Treibhausgas, das etwa 300-mal stärker ist als Kohlendioxid pro Einheit. Die Verbesserung der Stickstoffnutzungseffizienz auf Pflanzenebene ist einer der direktesten Wege, um sowohl die Düngemittelkosten als auch die Umweltschäden zu senken.
Aktuelle Ansätze zur Verbesserung der Effizienz der Stickstoffnutzung konzentrieren sich in erster Linie auf die Bodenseite: Beschichtungen mit langsamer Freisetzung, Nitrifikationshemmer und präzise zeitliche Abstimmung der Anwendung. Die HHO5-Entdeckung eröffnet einen ergänzenden Weg, indem sie auf die regulatorische Verkabelung der Pflanze abzielt. Wenn Züchter ändern können, wie aggressiv HHO5 die Stickstoffaufnahme stoppt, könnten Nutzpflanzen möglicherweise mehr Stickstoff aus dem Boden ziehen, bevor die Bremse eingreift, und so die Menge an ungenutztem Dünger, der zurückbleibt, reduzieren.
Von der Entdeckung im Labor bis zur Feldanwendung
Das Forschungsteam fand heraus, dass verschiedene Formen von Stickstoff unterschiedliche Auswirkungen auf die HHO5-Expressionsniveaus hatten. Anorganischer Stickstoff, die direkt aus dem Dünger absorbierte Form, löste ein anderes Reaktionsmuster aus als organischer Stickstoff. Diese Unterscheidung ist wichtig, weil sie darauf hindeutet, dass der Signalweg so nuanciert ist, dass Züchter ihn potenziell fein-abstimmen könnten, ohne andere Stoffwechselprozesse zu stören.
Die NYU hat eine Patentanmeldung eingereicht, die die Forschung und ihren potenziellen Einsatz zur Verbesserung der Stickstoffnutzungseffizienz von Pflanzen abdeckt. Über Lizenzverhandlungen machte die Universität keine Angaben, das Patent signalisiert jedoch kommerzielle Absichten.
Die Entdeckung kommt zu einem Zeitpunkt, an dem die Kosten für Stickstoffdünger weltweit steigen. Laut USDA-Daten lagen die US-Einzelhandelspreise für Harnstoff Anfang August bei durchschnittlich 594 US-Dollar pro Tonne und sind gegenüber den Höchstständen zur Jahresmitte aufgrund der Störung in der Straße von Hormus nur geringfügig gesunken. Jede genetische Verbesserung, die es Nutzpflanzen ermöglicht, aus jeder Tonne eingesetztem Stickstoff mehr Wert zu ziehen, hätte direkte Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit der landwirtschaftlichen Betriebe.
Ein wachsendes Feld der Stickstoffeffizienzforschung
Die NYU-Arbeit fügt sich in eine breitere Welle der Stickstoffeffizienzforschung ein. Eine im Juli veröffentlichte Purdue-Studie identifizierte einen genetischen Schalter, der die Stickstofffixierung in Sojabohnen steuert, während Forscher der Washington State University im Mai berichteten, dass stickstofffixierende Gene zwischen Bakterienstämmen übertragen werden könnten. Unternehmen wie Pivot Bio, Intrinsyx Bio und Kula Bio vermarkten mikrobielle Ansätze zur biologischen Stickstofffixierung.
Was den HHO5-Befund auszeichnet, ist, dass er sich eher auf die pflanzeneigene Signalübertragung als auf das Bodenmikrobiom konzentriert. Es zielt auf einen regulatorischen Kontrollpunkt ab, der in allen Pflanzen und nicht nur in Hülsenfrüchten vorhanden ist, was bedeutet, dass jede Verbesserung theoretisch für alle wichtigen Getreidekulturen wie Mais, Weizen und Reis gelten könnte.
Dennoch dauert es in der Regel ein Jahrzehnt oder länger, die Entdeckung eines Transkriptionsfaktors in eine kommerzielle Nutzpflanzensorte umzusetzen. Der unmittelbare Wert liegt darin, Pflanzenwissenschaftlern ein spezifisches, gut charakterisiertes genetisches Ziel zur Verfügung zu stellen, mit dem sie arbeiten können, wenn sie nach Sorten suchen, die mehr Getreide pro Einheit zugeführten Stickstoffs liefern.
