Durchbruch: Weizen produziert seinen eigenen Dünger
Bakterielle Lösung soll Umweltverschmutzung reduzieren und Landwirten Einsparungen in Milliardenhöhe ermöglichen
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Wissenschaftler der Universität von Kalifornien, Davis, haben Weizenpflanzen entwickelt, die die Produktion ihres eigenen Düngers anregen und damit den Weg für eine weltweit geringere Luft- und Wasserverschmutzung und niedrigere Kosten für die Landwirte ebnen.
Die Technologie wurde von einem Team unter der Leitung von Eduardo Blumwald, einem angesehenen Professor der Abteilung für Pflanzenwissenschaften, entwickelt. Das Team nutzte das Gen-Editing-Tool CRISPR, um Weizenpflanzen dazu zu bringen, mehr von einer ihrer eigenen, natürlich vorkommenden Chemikalien zu produzieren. Wenn die Pflanze die überschüssige Chemikalie in den Boden abgibt, hilft die Chemikalie bestimmten Bakterien im Boden, Stickstoff aus der Luft in eine Form umzuwandeln, die die Pflanzen in der Nähe für ihr Wachstum nutzen können. Dieser Umwandlungsprozess wird als Stickstofffixierung bezeichnet. Die Studie wurde online im Plant Biotechnology Journal veröffentlicht .
In Entwicklungsländern könnte der Durchbruch ein Segen für die Ernährungssicherheit sein.
"In Afrika verwenden die Menschen keine Düngemittel, weil sie kein Geld haben, und die Farmen sind klein, nicht größer als sechs bis acht Hektar", sagte Blumwald. "Stellen Sie sich vor, Sie pflanzen Pflanzen an, die Bakterien im Boden stimulieren, um den Dünger zu erzeugen, den die Pflanzen auf natürliche Weise brauchen. Wow! Das ist ein großer Unterschied!"
Der Durchbruch bei Weizen baut auf der früheren Arbeit des Teams bei Reis auf. Es wird auch daran geforscht, diese Technologie auf andere Getreidesorten auszuweiten.
Weizen ist weltweit die zweitwichtigste Getreideart, was den Ertrag angeht, und verbraucht mit etwa 18 % den größten Teil des Stickstoffdüngers. Nach Angaben der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen wurden allein im Jahr 2020 weltweit mehr als 800 Millionen Tonnen Düngemittel produziert.
Doch die Pflanzen nehmen nur etwa 30 bis 50 % des Stickstoffs im Dünger auf. Ein Großteil dessen, was sie nicht nutzen, fließt in die Gewässer, wo tote Zonen" mit Sauerstoffmangel entstehen können, in denen Fische und andere Wasserbewohner ersticken. Ein Teil des überschüssigen Stickstoffs im Boden erzeugt Distickstoffoxid, ein starkes, das Klima erwärmendes Gas.
Die Abhilfe: Schützen Sie den Fixierer
Stickstoff fixierende Bakterien produzieren ein Enzym namens Nitrogenase, den "Fixierer" der Stickstofffixierung. Die Stickstoffase befindet sich nur in den Bakterien und kann nur in einer Umgebung mit sehr wenig Sauerstoff arbeiten.
Hülsenfrüchte wie Bohnen und Erbsen haben Wurzelstrukturen, so genannte Knöllchen, die den Stickstoff fixierenden Bakterien ein gemütliches, sauerstoffarmes Zuhause bieten.
Im Gegensatz zu Hülsenfrüchten haben Weizen und die meisten anderen Pflanzen keine Wurzelknöllchen. Aus diesem Grund verwenden Landwirte stickstoffhaltigen Dünger.
"Jahrzehntelang haben Wissenschaftler versucht, Getreidepflanzen zu entwickeln, die aktive Wurzelknöllchen bilden, oder Getreide mit stickstoffbindenden Bakterien zu besiedeln - ohne großen Erfolg. Wir haben einen anderen Ansatz gewählt", sagte Blumwald. "Wir sagten, dass der Ort, an dem sich die stickstofffixierenden Bakterien befinden, nicht wichtig ist, solange der fixierte Stickstoff die Pflanze erreichen kann und die Pflanze ihn nutzen kann."
Um eine Lösung zu finden, untersuchte das Team zunächst 2.800 chemische Stoffe, die die Pflanzen auf natürliche Weise produzieren. Sie fanden 20 davon, die neben anderen nützlichen Aufgaben für die Pflanze auch Bakterien zur Bildung von Biofilmen anregen. Biofilme sind eine klebrige Schicht, die die Bakterien umgibt und eine sauerstoffarme Umgebung schafft, in der die Nitrogenase arbeiten kann. Die Wissenschaftler fanden heraus, wie die Pflanze diese Chemikalien herstellt und welche Gene diesen Prozess steuern.
Anschließend veränderte das Team die Weizenpflanzen mit Hilfe des Gen-Editing-Tools CRISPR so, dass sie mehr von einer dieser Chemikalien, einem Flavon namens Apigenin, produzieren. Der Weizen, der nun über mehr Apigenin verfügt, als er benötigt, gibt den Überschuss über seine Wurzeln in den Boden ab. In ihren Experimenten stimulierte das Apigenin des Weizens die Bakterien im Boden, schützende Biofilme zu bilden, die es der Nitrogenase ermöglichen, Stickstoff zu fixieren, und den Weizenpflanzen, ihn zu assimilieren.
Der Weizen wies auch einen höheren Ertrag auf als Kontrollpflanzen, wenn er in einer sehr niedrigen Konzentration von Stickstoffdünger angebaut wurde.
Landwirte könnten Milliarden einsparen
Nach Schätzungen des US-Landwirtschaftsministeriums gaben die Landwirte in den Vereinigten Staaten im Jahr 2023 fast 36 Milliarden Dollar für Düngemittel aus. Blumwald rechnet vor, dass in den USA fast 500 Millionen Hektar mit Getreide bepflanzt sind.
"Stellen Sie sich vor, Sie könnten 10 % der Düngemittelmenge einsparen, die auf diesem Land verwendet wird", überlegt er. "Ich rechne konservativ: Das dürfte eine Einsparung von mehr als einer Milliarde Dollar pro Jahr bedeuten."
Weitere Autoren sind Hiromi Tajima, Akhilesh Yadav, Javier Hidalgo Castellanos, Dawei Yan, Benjamin P. Brookbank und Eiji Nambara.
Eine Patentanmeldung wurde von der University of California eingereicht und ist anhängig. Bayer Crop Science und das Will Lester Endowment der UC Davis haben die Forschung unterstützt.
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Originalveröffentlichung
Hiromi Tajima, Akhilesh Yadav, Javier Hidalgo Castellanos, Dawei Yan, Benjamin P. Brookbank, Eiji Nambara, Eduardo Blumwald; "Increased Apigenin in
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