Stickstoff ist für Pflanzen lebenswichtig und für die Landwirtschaft ein Kosten- und Klimafaktor. Weltweit werden große Mengen Stickstoffdünger ausgebracht, deren Herstellung energieintensiv ist und deren Einsatz Böden, Gewässer und Klima belastet. Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung des Leibniz-IPK Gatersleben zeigen nun am Beispiel von Raps, dass unscheinbare Bodenbakterien helfen können, den vorhandenen Stickstoff deutlich effizienter zu nutzen. 

Mehr Wurzeln dank Mikroorganismen

Im Mittelpunkt der Studie steht das Wurzelmikrobiom, also die Gemeinschaft von Bakterien, die sich im unmittelbaren Wurzelraum ansiedeln. Ein internationales Team untersuchte 175 verschiedene Raps-Linien an zwei Standorten in China und verknüpfte erstmals im großen Maßstab genetische Daten, Genaktivität, Mikrobiom-Zusammensetzung und Nährstoffprofile. Insgesamt flossen 1.341 gekoppelte Datensätze in die Analyse ein.

Ein zentrales Ergebnis: Bestimmte Bakterien fördern die Bildung von Seitenwurzeln. Besonders das Bakterium namens Sphingopyxis erwies sich als Schlüsselakteur. Es beeinflusst über ein Pflanzenhormon das Wachstum zusätzlicher Seitenwurzeln, gewissermaßen mehr „Finger“, mit denen die Pflanze Nährstoffe aus dem Boden „greifen“ kann. Unter niedrigen Stickstoffbedingungen führte dies zu mehr Biomasse und verbesserter Stickstoffaufnahme.

Pflanzengene steuern das Mikrobiom

Die Forschenden konnten zeigen, dass die Zusammensetzung des Mikrobioms nicht zufällig ist. Bestimmte Genvarianten und vor allem deren Aktivität regulieren, welche Bakterien sich an den Wurzeln ansiedeln. Sogenannte „eQTL-Hotspots“, genetische Steuerungszentren, beeinflussen insbesondere Gene des Kohlenstoff- und Stickstoffstoffwechsels. Zusammengenommen erklären Genaktivität und Mikrobiom-Eigenschaften bis zu 45 Prozent der Unterschiede in der Stickstoffaufnahme.

Wenn Kulturpflanzen gezielt so gezüchtet werden, dass sie nützliche Mikroben effizient rekrutieren, könnten sie mit weniger Dünger stabile Erträge liefern. Das senkt Produktionskosten, reduziert Emissionen und schont natürliche Ressourcen. Die Studie liefert damit eine wissenschaftliche Grundlage für mikrobiom-gestützte Züchtungsstrategien, ein wichtiger Schritt hin zu nachhaltigeren Agrarsystemen.

hb