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21.09.2020

Rhizosphäre für die Zukunft fit machen

Moderne Agrarsysteme müssen den Herausforderungen des Klimawandels gewachsen sein. In den Rhizosphären-Eigenschaften älterer Nutzpflanzen suchen Forscher nach dem Schlüssel für die Bewältigung von Umweltstress und mehr Ertragssicherheit.

In der Moving-Fields-Anlage der LfL wurden die Pflanzensorten ausgewählt.
Quelle: 
W. Vahl

Ob Weizen oder Mais: Nach zwei Hitzesommern in Folge drohen Landwirten auf Grund langanhaltender Trockenheit auch in diesem Jahr vielerorts wieder enorme Ernteverluste. Die Pflanzen leiden unter Trockenstress, da die Böden austrocknen und das Wurzelwerk nicht ausreichend mit Wasser und Nährstoffen versorgt wird. Die Herausforderungen des Klimawandels lassen Forscher daher mit Hochdruck nach zukunftsträchtigen Szenarien für den Ackerbau suchen.  

Im Verbundprojekt RhizoTraits konzentrieren sich Wissenschaftler unter Leitung der Universität Bayreuth auf den wurzelnahen Bereich einer Pflanze – die Rhizosphäre. In diesem unmittelbar von der Pflanzenwurzel beeinflussten Raum sehen die Forscher den Schlüssel, um Pflanzen an die künftigen klimatischen Bedingungen anzupassen und widerstandsfähiger zu machen. Das Projekt wird im Rahmen der „Nationalen Forschungsstrategie BioÖkonomie 2030“ über die Fördermaßnahme „Pflanzenwurzeln und Bodenökosysteme - Bedeutung der Rhizosphäre für die Bioökonomie (Rhizo4Bio)“ vom Bundesforschungsministerium über vier Jahre mit rund 2 Mio. Euro gefördert.

Pflanzen widerstandsfähiger machen

Im Fokus des Vorhabens steht die Aufklärung relevanter biologischer, chemischer und physikalischer Prozesse, die in der Rhizosphäre ablaufen. Entscheidend ist hier das Zusammenspiel von Wurzel, Mikroorganismen und Boden, das die Nährstoff- und Wasseraufnahme und damit auch die Trockentoleranz der Pflanzen bestimmt. „In dem Projekt wollen wir schauen, ob es Eigenschaften in der Rhizosphäre gibt, die die Pflanzen widerstandsfähiger für Klimaveränderungen machen“, erklärt Projektkoordinatorin Johanna Pausch von der Universität Bayreuth.

Hotspot für mikrobielle Aktivität und Stoffumsätze

Pflanzen haben durchaus eigene Strategien entwickelt, um Wasser-und Nährstoffquellen zu erschließen und für sich nutzbar zu machen. Mittels langwachsender Wurzeln zapfen sie die Ressourcen im Unterboden an,  bilden verstärkt Wurzelhaare und bauen so den Kontakt zum umliegenden Boden aus. Und sie gehen Symbiosen mit Pilzen und Bakterien ein, von denen sie mit Nährstoffen versorgt werden. „Andererseits geben die Wurzeln auch Kohlenstoffverbindungen in die Rhizosphäre ab. Dadurch wird die Rhizosphäre zum Hotspot für mikrobielle Aktivität und Stoffumsätze“, sagt Pausch. Doch durch die pflanzlichen Aktionen verändert sich auch der wurzelnahe Bereich.

Quelle: 
A. Carminati

Abgabe von Mucigel

Eigenschaften im wurzelnahmen Bereich im Blick

Ob Pflanzen auf dem Acker gedeihen und ertragreich sind, wird also entscheidend von den Vorgängen in der Rhizosphäre bestimmt. Im Visier der Forscher stehen daher Eigenschaften, die den wurzelnahen Raum prägen und das Pflanzenwachstum fördern. Dazu gehören Wurzelexsudate, also organischen Stoffe, die über die Pflanzenwurzeln abgeben werden, wie Kohlenstoffverbindungen, aber auch die Bildung der Bodenstruktur sowie die Interaktion mit Bakterien und Pilzen.

Alte Weizensorten als Hoffnungsträger

Doch welche Rolle spielen dabei neue Pflanzensorten und inwiefern haben Züchtungen die Anpassungsfähigkeit der Pflanzen an ihre Umwelt beeinflusst? „Wir gehen davon aus, dass durch die Züchtung von Pflanzen unter nährstoffreichen Bedingungen Gene verloren gegangen sind, die für die Widerstandsfähigkeit unserer Kulturpflanzen wichtig sein können. Generell hat man bei der Züchtung eher auf Ertrag Wert gelegt, aber weniger auf die Wurzel. Wir denken daher, dass in alten Sorten noch Eigenschaften vorhanden sind, die ein wichtiger Schlüssel für die Trockenresistenz von Pflanzen sein können“, argumentiert Pausch.

So gibt es beispielsweise Studien zum Weizen wie die von Golan aus dem Jahr 2018, die belegen, dass sich die Wurzelausbildung verändert hat. „Die Autoren zeigen, dass die Anzahl der samenbürtigen Wurzel während der Domestikation von Weizen von drei auf fünf gestiegen ist, weil zwei zusätzliche Wurzeln aktiviert wurden. Deren Ausbildung wird bei Wildweizen unterdrückt. Nach einer Dürre kann Wildweizen jedoch die unterdrückten Wurzeln reaktivieren und die schnelle Erholung der Pflanze fördern“, erklärt Pausch.

Im Verbundprojekt RhizoTraits wollen die Forscher daher auch ältere Weizen- und Maissorten, die bis 1945 in Bayern angebaut wurden, auf ihre Trockentoleranz untersuchen. „Wir wollen herausfinden, ob ältere Sorten im Vergleich zu modernen Sorten Eigenschaften in der Rhizosphäre aufweisen, die unter extremen Klimabedingungen Ertragsverluste reduzieren können“, erklärt die Agrarökologin.

Wurzelwachstum beobachten

Im Rahmen eines Screenings werden dafür zunächst Pflanzensorten ausgewählt. Die Auslese erfolgt in der Anlage „Moving Fields“  beim Projektpartner, dem Institut für Ökologischen Landbau, Bodenkultur und Ressourcenschutz der Bayrischen Landesanstalt für Landwirtschaft (LfL). In einzelnen Boxen, so genannten Microfields, werden 48 Genotypen angebaut, automatisch gewässert und täglich gewogen, um die Wasserverluste zu messen. Das Wurzelwachstum kann über ein Fenster, an dem die Wurzeln entlangwachsen, beobachtet werden und es wird zugleich von Kameras aufgezeichnet. So lassen sich Parameter wie Länge, Dichte und Verzweigungsgrad der Wurzeln bestimmen. 

Anhand des Rhizosphärenmantels wird das Team um Pausch die Ausbildung von Wurzelhaaren und –ausscheidungen ermitteln. Auch die Bodenstruktur in der Rhizosphäre und die Mikroorganismen stehen im Fokus der Forscher.  „Die große Hoffnung ist, dass wir Eigenschaften klassifizieren können, die wichtig für die Widerstandsfähigkeit der Pflanze sind“, so Pausch.

Feldversuche an zwei Standorten in Bayern

Die Untersuchungen zur Bodenstruktur in der Rhizosphäre übernehmen Forscher der Technischen Universität München. An der LfL werden neben der Wurzelmorphologie vorrangig die oberirdischen Aspekte, also der Nährstoffgehalt der Pflanzen und der Ertrag betrachtet. In einem Feldversuch an zwei Standorten in Bayern werden die besten Sorten abschließend einem Praxistest unterzogen.   

Vorhersagemodell für Agrarsysteme

Die Erkenntnisse aus dem Projekt fließen in ein Vorhersagemodell ein, das Forscher am Karlsruher Institut für Technologie entwickeln. Damit können Feldfrüchte mit bestimmten Rhizosphären-Eigenschaften unter verschiedenen Klima- und Nährstoffbedingungen simuliert und so deren Erträge für aktuelle, aber auch zukünftige Klimaszenarien aufgezeigt werden. „Das Vorhersagemodell soll zeigen, wie widerstandsfähig das Agrarsystem unter bestimmten Bedingungen ist“, sagt Pausch. Gleichzeitig könnte es auch die Grundlage für die Züchtung neuer Pflanzensorten sein und den Anbau gezielt für bestimmte Regionen managen.

Autorin: Beatrix Boldt

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