Ammonium bildet für Pflanzen die wichtigste Stickstoffquelle. Ohne Stickstoff kann die Pflanze keine Proteine bilden – sie hungert und geht ein. Um die Nährstoff- und Wasseraufnahme zu verbessern, besitzen Pflanzen jedoch die Fähigkeit, ihr Wurzelsystem anzupassen. Welche Signale verantwortlich sind, um diesen Mechanismus anzukurbeln, ist weitgehend unbekannt. Antworten liefern nun Forscher des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben. Das Team ging der Frage nach, wie das Phytohormon Auxin, das an fast allen Entwicklungsprozessen einer Pflanze beteiligt ist, auf die natürlichen und von der Landwirtschaft durch Dünger ausgebrachte Vorkommen von Ammonium im Boden reagiert.

Ammonium verändert pH-Wert in der Wurzel

„Unsere Arbeit zeigt, dass die Ammoniumaufnahme durch die Wurzeln pH-Änderungen hervorruft, die das Pflanzenhormon Auxin in eine protonierte Form bringen, sodass Auxin in die äußeren Wurzelzellen vordringen kann, wo es die Entstehung von Seitenwurzeln auslöst", sagt Nicolaus von Wirén, Leiter der Abteilung Physiologie und Zellbiologie am IPK. Wie sein Team im Fachjournal "Nature Plants" berichtet, sorgt Ammonium dafür, dass im Wurzelgefäßsystem mehr Auxin akkumuliert und so die Bildung von Seitenwurzeln und damit der Aufbau eines hoch verzweigten Wurzelsystems gefördert wird.

Auxin reguliert Nährstoffverfügbarkeiten

Mithilfe fluoreszierender Proteine wurden pH-Veränderungen und Auxin sichtbar gemacht. So war erkennbar, wie die Ammoniumaufnahme den Zellwandraum ansäuert und dadurch den Import von Auxin in den äußeren Zellschichten erhöht. „Unsere Studie zeigt, dass die pH-abhängige Diffusion von Auxin als Regulationsmechanismus wirkt, um die Plastizität der Wurzelarchitektur bei schwankenden Nährstoffverfügbarkeiten zu koordinieren“, sagt von Wirén. Bei Stickstoffmangel gelangt zwar ebenfalls Auxin in die Wurzelgefäße der Pflanze. Der alkalische pH-Wert hält jedoch das Auxin in den Gefäßen fest und verhindert damit die Wurzelausbildung. Den Forschenden zufolge verlieren die Wurzeln dadurch die Kontrolle über den Transport dieses wachstumsfördernden Hormons.

Lokale Nährstoffdepots im Boden erschließen

Für die landwirtschaftliche Pflanzenproduktion liefert die Studie damit neue Erkenntnisse, wie Pflanzen auf schwankende Stickstoffvorkommen im Boden reagieren. Denn der Einsatz von Stickstoffdüngern ist durch die neue Düngemittelverordnung reglementiert und geht daher verstärkt in Richtung gezielter Düngung. Hier habe sich gezeigt, dass solche lokalen Ammoniumdepots die Seitenwurzelbildung von Feldfrüchten sowie die Mobilisierung und Aufnahme von Phosphat verbessern, schreiben die Forscher.

„Da lokales Phosphat typischerweise längere Seitenwurzeln macht, während bei Ammonium mehr, aber kurze Seitenwurzeln gebildet werden, stellt sich die Frage, ob diese Mechanismen zukünftig gezielter genutzt werden können, um lokale Nährstoffdepots im Boden effizienter zu erschließen“, resümiert von Wirèn. Ob neben Ammonium auch andere Nährstoffe verstärkt durch die größere Seitenwurzelbildung aufgenommen werden können, muss noch untersucht werden.

bb