Reduzierung des Düngemitteleinsatzes durch gezielte Förderung von Mykorrhizapilzen
Im Verlauf der Evolution haben Pflanzen effektive Mechanismen entwickelt, um Phosphatmangel im Boden zu kompensieren. Eine zentrale Strategie besteht in der Ausbildung symbiotischer Beziehungen mit Mykorrhizapilzen, die den Pflanzen die Aufnahme von Phosphat und weiteren Mineralien erleichtern. Forschende des Leibniz-Instituts für Pflanzenbiochemie (IPB) in Halle und der Universität Bonn identifizierten einen molekularen Regulator, der den Phosphatgehalt in Pflanzen misst und daraufhin die Symbiose mit den Pilzen steuert. Diese Entdeckung, veröffentlicht in Science Advances, eröffnet neue Möglichkeiten, die Symbiose unabhängig vom Phosphatgehalt im Boden zu fördern und somit den Einsatz von Düngemitteln zu verringern.
Funktion und Bedeutung der Mykorrhizapilze
Die Inokulation von Nutzpflanzen mit Mykorrhizapilzen stellt eine bewährte Methode zur Steigerung landwirtschaftlicher Erträge dar. Die Pilzhyphen erweitern das Wurzelsystem und erhöhen die Effizienz der Nährstoffaufnahme, insbesondere von Phosphat, das für den pflanzlichen Energiestoffwechsel essenziell ist. Allerdings erfordert diese Symbiose einen Kohlenhydrataufwand seitens der Pflanze, weshalb sie bei ausreichender Phosphatversorgung die Symbiose unterdrückt.
„Da die Symbiose für die Pflanze mit einem erheblichen Energieaufwand verbunden ist, wird sie bei ausreichender Phosphatverfügbarkeit reduziert“, erläutert Dr. Martina Ried-Lasi, Leiterin der Arbeitsgruppe Symbiose-Signaling am IPB. Dennoch ist die Symbiose auch für die Aufnahme weiterer Mineralstoffe wie Stickstoff, Magnesium und Kalium von Bedeutung, weshalb landwirtschaftliche Strategien angestrebt werden, die Mykorrhizierung unabhängig vom Phosphatgehalt zu ermöglichen, so Prof. Dr. Gabriel Schaaf von der Universität Bonn.
Der molekulare Schalter VIH2 und seine Rolle
Im Rahmen von Experimenten mit der Modellpflanze Lotus japonicus wurde das Enzym VIH2 als zentraler Regulator der Symbiose identifiziert. VIH2 synthetisiert Inositol-Pyrophosphate, Signalmoleküle, die den Phosphatstatus in der Zelle widerspiegeln. Bei niedrigem Phosphatgehalt produziert VIH2 geringe Mengen dieser Moleküle, was ein Notfallprogramm aktiviert, das unter anderem die Aufnahme der Mykorrhizasymbiose einschließt. Bei ausreichender Phosphatversorgung hingegen werden hohe Mengen der Signalmoleküle gebildet, wodurch die Symbiose unterdrückt wird.
Durch gezielte Hemmung von VIH2 konnte das Forschungsteam nachweisen, dass die Pflanzen trotz ausreichender Phosphatverfügbarkeit das Notfallprogramm aktivieren und die Mykorrhizabildung aufrechterhalten. Dabei zeigte sich, dass die erzwungene Symbiose weder das Wachstum noch die Entwicklung der Pflanzen und Pilze beeinträchtigte. Vielmehr wurde die Nährstoffaufnahme verbessert und die Symbiose stabil erhalten.
Ausblick und Bedeutung für die Landwirtschaft
Mit der Entdeckung von VIH2 als Schaltstelle zur Steuerung der Mykorrhizasymbiose besteht die Möglichkeit, die Symbiosebereitschaft von Kulturpflanzen gezielt zu beeinflussen. Moderne Züchtungsmethoden wie Genomeditierung könnten eine flexible und schnelle Optimierung ermöglichen. Ob sich diese Effekte auch unter Feldbedingungen bestätigen, ist Gegenstand weiterer Untersuchungen.
Phosphat ist eine begrenzte Ressource, deren Abbau und Nutzung mit Umweltproblemen wie Schwermetallbelastungen und Gewässerverunreinigungen verbunden sind. Die Förderung der Mykorrhizierung kann dazu beitragen, den Bedarf an mineralischen Düngemitteln zu reduzieren und ökologische Risiken zu minimieren.
Förderung und Kontakt
Die Forschungsarbeit wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt, insbesondere im Rahmen des Transregio-Sonderforschungsbereichs TRR356 (IPB Halle) sowie des Exzellenzclusters PhenoRob an der Universität Bonn.
- Dr. Martina K. Ried-Lasi
Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie
Tel: 0345 5582 1225
E-Mail: martina.ried@ipb-halle.de - Prof. Dr. Gabriel Schaaf
Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz, Universität Bonn
Tel: 0228 73-2851
E-Mail: gabriel.schaaf@uni-bonn.de
Publikation
Raj, K., Gaugler, V. et al. „Lotus japonicus VIH2 is an inositol pyrophosphate synthase that regulates arbuscular mycorrhiza.“ Science Advances (2026). https://doi.org/10.1126/sciadv.aec5607
