Das Gespräch zwischen Pflanzen und Boden

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Anonim

Boden ist für ein Kind nur Dreck - ein Zuhause für Würmer. Für einen Gärtner ist der Boden eine Ansammlung von organischen Stoffen und Nährstoffen. Aber für Pflanzen ist der Boden eine Brutstätte chemischer Aktivität. Und Pflanzen beobachten nicht nur, sie nehmen aktiv an dieser Aktivität teil.

Pflanzen setzen Chemikalien in den Boden frei, sogenannte Exsudate, die Mikroben sagen, bestimmte chemische Prozesse an- oder abzuschalten. Wissenschaftler beginnen, diese Signale zu verstehen, und hoffen, sie zu nutzen, um die Effizienz, die Nachhaltigkeit und die Umweltauswirkungen der Billionen-Dollar-Agrarindustrie zu verbessern.

Die drei wichtigsten Nährstoffe, die Pflanzen benötigen, sind Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor. Der Kohlenstoffbedarf einer Pflanze kommt aus der Luft in Form von Kohlendioxid, aber der Bedarf an Stickstoff und Phosphor kommt aus dem Boden, und oft ist Stickstoff das Element mit der kürzesten Versorgung auf natürliche Weise - und um ihren Ertrag zu erhöhen, fügen die Bauern dem Boden Stickstoff hinzu.

Künstlicher Stickstoffdünger ist ein wesentlicher Bestandteil eines landwirtschaftlichen Systems, das mehr als 7 Milliarden Menschen ernährt, aber es verursacht enorme Umweltkosten. Wenn die Bevölkerung wächst und sich die Ernährungsgewohnheiten in mehr Fleischdiäten ändern, scheint die Stickstoffbelastung ein noch größeres Problem zu werden.

Bekämpfung von Stickstoffverschmutzung

"Das Ausmaß, in dem wir uns weltweit in den Stickstoffkreislauf eingemischt haben, ist erstaunlich", sagt Professor Herbert Kronzucker, Leiter der School of BioSciences der University of Melbourne.

"210 Millionen Tonnen Stickstoff pro Jahr werden der Atmosphäre entnommen und durch menschliche Aktivitäten in eine feste Form von Stickstoff umgewandelt. Und die meisten davon landen als Dünger in landwirtschaftlichen Böden.

"Aber weniger als die Hälfte davon kann tatsächlich von Pflanzen eingefangen werden. Der Rest geht als Stickstoffgas oder das Treibhausgas Lachgas in die Atmosphäre verloren oder entweicht in Gewässer, wo es einen Hauptschadstoff darstellt.

"In den USA sind mehr als die Hälfte aller Seen von zu viel Stickstoff oder Phosphor betroffen."

Aber was wäre, wenn wir, anstatt mehr und mehr Stickstoff dem Boden hinzuzufügen, den Pflanzen helfen, den bereits vorhandenen Stickstoff besser zu nutzen?

Professor Kronzucker und seine Kollegen von der University of Toronto, der Laval University und der Chinese Academy of Sciences suchen nach Pflanzen, die mit dem Boden in einer Weise kommunizieren, die ihren Stickstoffbedarf reduziert.

"Wir haben uns für den Zusammenhang zwischen Chemikalien aus Pflanzen und deren Auswirkungen auf Bodenmikroben interessiert", sagt Professor Kronzucker.

Menschliche Einmischung

Stickstoff nimmt viele chemische Formen an. Die nützlichsten Formen für das Pflanzenwachstum sind Nitrat (NO3-) und Ammoniak (NH3). Chemische Prozesse im Boden transformieren Stickstoff zwischen diesen und anderen Formen.

Ein Beispiel ist ein Prozess namens Nitrifikation, bei dem Ammoniak in Nitrat umgewandelt wird. Nitrat ist im Boden problematisch, weil Pflanzen es zwar lieben, aber nicht wie Ammoniak haften. Es löst sich in Wasser auf und wird durch Regen und Grundwasser aus dem Boden ausgewaschen. Außerdem verwandeln Bodenmikroben Nitrat in Stickstoffgas, das für Pflanzen nutzlos ist.

Alle diese Prozesse sind reversibel, und schließlich wird Stickstoffgas durch einen anderen mikrobiellen Prozess, Stickstofffixierung genannt, in den Boden zurückgeführt, aber dieser Prozess ist für industrielle landwirtschaftliche Systeme zu langsam. Die Landwirte müssen immer mehr Stickstoff hinzufügen, und normalerweise geschieht dies in Form künstlicher Stickstoffdünger.

Diese Düngemittel werden in einem energieintensiven industriellen Prozess hergestellt, der Stickstoffgas in Ammoniak verwandelt. Dieser Prozess, der Haber-Bosch-Prozess genannt wurde, war ein wichtiger Faktor in der Grünen Revolution, die in den 1960er Jahren begann und heute mehr als 7 Milliarden Menschen ernährt.

In den letzten Jahren hat die menschliche Aktivität die Menge an Stickstoff, die in den Erdboden gelangt, mehr als verdoppelt. Und die Hälfte dieses zusätzlichen Stickstoffs wird verschwendet. Aber Professor Kronzucker sagt, das muss nicht so sein.

Pflanzen, die in Gebieten mit geringer oder intermittierender Stickstoffverfügbarkeit wachsen, produzieren Exsudate, die die Stickstofftransformationen im Boden blockieren oder verbessern können, um die Stickstoffaufnahme zu verbessern, wenn die Stickstoffverfügbarkeit im Boden gering ist.

Das Potenzial von Pflanzenexsudaten

Professor Kronzucker begann zu untersuchen, wie Pflanzenexsudate mit der Stickstoffchemie des Bodens in den kanadischen Waldbäumen interagieren. Inzwischen interessiert er sich jedoch mehr dafür, wie diese Interaktion mit den wichtigsten Kulturpflanzen der Welt funktioniert.

Im vergangenen Jahr veröffentlichte seine Gruppe ihre Forschung zu Pflanzenexsudaten aus Reis.

"Reis ernährt drei Milliarden Menschen, aber es wurde nicht auf seine Pflanzenexsudate untersucht", sagt Professor Kronzucker.

Sie fanden heraus, dass alle Reissorten, die sie untersuchten, Exudate hatten, die den Stickstoff des Bodens beeinflussen könnten.

"Das ist ein Paradigmenwechsel. Wo wir hinschauen, finden wir etwas", sagt Professor Kronzucker.

Das Team begann daraufhin, alle bestehenden Studien zu Pflanzenexsudaten in Reis, Weizen und Mais zu überprüfen. Sie waren besonders an Chemikalien interessiert, die spezifisch die Nitrifikation inhibieren, den Prozess, der Ammoniak in Nitrat umwandelt.

Diese Arbeit ist in Nature Plants veröffentlicht.

Sie fanden heraus, dass über diese biologischen Nitrifikationshemmer (BNIs) in Wurzelexsudaten von Weizen und Mais, den beiden größten Welternten nach Reis, nur wenig bekannt ist. In der Tat ist nichts über BNIs in Mais bekannt.

Aus seiner Erfahrung mit Reis glaubt Professor Kronzucker, dass diese Exsudate in Weizen und Mais gefunden werden, wir müssen nur nach ihnen suchen.

Wenn wir besser verstehen, wie Pflanzen mit dem Boden sprechen, können diese Entdeckungen zu neuen Anbaumethoden, künstlichen Bodenadditiven oder genetischen Veränderungen führen, um Pflanzenstämme zu produzieren, die den Stickstoffverlust begrenzen können. Professor Kronzucker sagt jedoch, dass "riesiges Potenzial" darin besteht, bestehende Reis-, Weizen- und Mais-Sorten auf "Stickstoff-Superstars" zu prüfen.

"Wenn Sie die Screening-Arbeit mit den vorhandenen Genotypen gut machen, müssen Sie nicht auf genetische Veränderungen achten", sagt er.

Eine neue grüne Revolution

Professor Kronzucker ist nicht überrascht, dass Wurzelausscheidungen von Reis, Weizen und Mais so wenig verstanden werden. In Industrieländern ist Stickstoffdünger relativ billig, und die Landwirte hatten wenig Interesse daran, Zeit oder Mühe zu investieren, um den Einsatz von Düngemitteln zu reduzieren. Daher gab es wenig Anreiz oder Finanzierung für die Forschung, um dies zu unterstützen. Professor Kronzucker meint, dass sich das ändern wird.

"Jetzt haben wir Carbon Caps - wir haben Möglichkeiten, die CO2-Emissionen zu reduzieren. Wir brauchen ähnliche Wege, um die Stickstoffemissionen zu reduzieren. Gute Praktiken sollten belohnt werden, und schlechte Praktiken sollten bestraft werden."

Er hofft, dass dies zu einer neuen grünen Revolution führen wird.

"Seit Beginn der grünen Revolution in den 1960er Jahren haben wir einen phänomenalen Ertragserfolg gesehen. Aber weil Düngemittel so leicht verfügbar waren, wurden die meisten Sorten in Systemen mit hohem Stickstoffgehalt und hohem Phosphorgehalt entwickelt, die nicht unter Nährstofflimitierung standen.

"Jetzt gibt es eine Verschiebung hin zu Kultivaren, die nährstoffeffizient sind. In einigen Teilen des Planeten tun die Landwirte dies notwendigerweise, sie haben keine Wahl. In Afrika ist es typisch, unter nährstofflimitierten Bedingungen zu arbeiten."

Professor Kronzucker sagt, dass Orte wie Afrika die "Stickstoff-Superstars" sind.

"An diesen Orten gibt es viele Schätze, die die Bauern ausgewählt haben."

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