Einblicke in die pflanzliche Grundlagenforschung und wie sie die moderne Landwirtschaft beeinflusst.
Juni 2022. Vortragsnotizen von Barbara Brunschweiger
Einführung
Ich will euch nicht langweilen. Ich möchte nicht darüber sprechen, warum der Klimawandel die Ernährungssicherheit bedroht und dass jetzt Forschung finanziert wird, um die Stabilität der Pflanzen und die Gesundheit der Böden zu verbessern. Ich möchte über die Faszination, den Nervenkitzel sprechen, winzige Teile in der Komplexität der biologischen Prozesse in der Umwelt zu entdecken - winzige Teile, die Pflanzenwissenschaftler zu entdecken und zu verstehen versuchen. Und mit diesem Verständnis kann man vielleicht zu einer Änderung der landwirtschaftlichen Praktiken beitragen, damit andere die harte Arbeit erledigen und uns mit Nahrung versorgen können.
Der Baum
Warum ist die Erforschung der grundlegenden Wechselwirkungen in einer Umwelt so schwierig? Nehmen wir einen Baum. Nehmen wir an, dass er erfolgreich in der Erde keimen konnte und die "Jugend" eines Baumes bis zum "Erwachsensein" überstanden hat. Er ist ein normaler, gesunder Baum. Sein Wachstum und sein Überleben hängen von abiotischen Faktoren wie Sonnenlicht, Wasser, Wind und Temperatur ab - und zwar in genau dem richtigen Maß. Er braucht eine angemessene Bodenzusammensetzung und die Verfügbarkeit von Nährstoffen, die von Würmern, Bakterien und Pilzen beeinflusst werden. Andere biotische Faktoren können das Überleben der Bäume bedrohen, wie Insektenbefall und Infektionen mit pathogenen Bakterien und Viren. All diese Faktoren stehen in Wechselwirkung zueinander und führen zu synergetischen oder abgeschwächten Effekten. Sie bilden ein Netzwerk von Wechselwirkungen, das zu komplex ist, um es zu verstehen - bis jetzt?
Wie gehen Bäume mit Mehrfachstressoren um? Bäume sind anpassungsfähig und nicht von sich aus wehrlos. Sie haben ein angeborenes Immunsystem und können ihre Physiologie als Reaktion auf Gefahren wie Wassermangel, Lichtmangel und Sonnenbrand verändern. Außerdem sind sie nicht allein mit den Bedrohungen konfrontiert - sie gehen Symbiosen mit anderen Bäumen ein, egal welcher Art, und sie beschäftigen weitere Helfer. Zum Beispiel Pilze. Im Boden.
Begriffe
Lasst uns ein paar Begriffe klären: Symbiose. Symbiose bedeutet einfach, dass zwei Lebewesen miteinander interagieren. Das kann entweder gut oder schlecht für den Wirt (also die Pflanze) sein. Wenn es sich um eine parasitäre (schlechte) Symbiose handelt, profitiert nur der Eindringling und der Wirt leidet - wie z.B. Misteln, die in Baumkronen wachsen und dem Wirtsbaum Wasser und Nährstoffe entziehen. In der Wissenschaft oft vernachlässigt werden jedoch unterstützende Interaktionen, mutualistische Symbiosen wie die Mykorrhiza zwischen Pflanzen und Pilzen, die für beide Parteien von Vorteil sind.
Was also ist Mykorrhiza? Mykorrhiza (myco = Pilz, rhiza = Wurzel) ist ein allgemeiner Begriff für die unterirdische Symbiose zwischen Pflanzen und Pilzen. Sie tritt auf, wenn sich das Myzel, die feinen fadenförmigen Hyphen der Pilze, mit den Pflanzenwurzeln verbindet. Wenn das Myzel die Pflanzenwurzeln nur umschließt, spricht man von Ektomykorrhiza - sie bildet sich zwischen 10 % aller Pflanzenarten, vor allem holzigen Arten wie Bäumen. Bei der Endomykorrhiza dringen die Pilzhyphen in die Wurzelzelle der Pflanze ein. Eine besonders faszinierende Form der Endomykorrhiza ist die arbuskuläre Mykorrhiza, eine Symbiose, die von 80% aller Landpflanzen wie Nutzpflanzen und Hülsenfrüchten gebildet wird und die verdammt alt ist - sie hat sich über 500 Millionen Jahre der Koevolution etabliert. Und wir haben unser Wissen erst in 50 Jahren der Forschung erlangt [1].
Aber wir wissen einiges und haben bereits eine ganze Menge herausgefunden:
1. Das WIE: Wie manifestiert sich diese Symbiose? [2]
Im Boden streckt die Pflanze ihre Wurzeln aus, um nach Wasser und Nährstoffen zu suchen. Aber es gibt nur eine bestimmte Menge an Boden, den sie bedecken kann, an Tiefen, die sie erreichen muss, und an physiologischen Veränderungen, die sie vornehmen muss, wenn man den Kompromiss zwischen Zellwachstum und Ressourcenverfügbarkeit bedenkt. Das ist der Moment, in dem die Pflanze um Hilfe bittet. Mit Pflanzenhormonen. Diese löslichen Moleküle werden in den Boden freigesetzt und veranlassen Pilzsporen, die in der näheren Umgebung reichlich vorhanden sind, ein Myzel zu bilden, das die Hormonquelle ausfindig macht. Sobald sie die Pflanzenwurzel erreichen, löst der physische Kontakt eine Kaskade von molekularen Reaktionen und zellulären Veränderungen in der Pflanzenwurzel aus - alles, um sicherzustellen, dass die Pilzhyphen die robuste Wurzelepidermis durchdringen können. Sobald sie diese Barriere durchbrochen haben, sprießen die Hyphen zwischen den Zellschichten hervor, bis sie eine geeignete Wurzelzelle finden, in die sie eindringen und Arbuskeln bilden können. Diese winzigen, baumähnlich aussehenden Pilzstrukturen sind der Ort, an dem die Magie geschieht - aber WAS? und WARUM?
2. Das WAS und WARUM [2]
Es ist ganz einfach. Die Pflanze nimmt durch Photosynthese Kohlenstoff aus der Atmosphäre auf und produziert daraus Zucker. Der Pilz, der in der Lage ist, scheinbar endlose Myzelstraßen durch den Boden zu bauen, gelangt leicht an Wasser und lösliche Nährstoffe wie Phosphor und Stickstoff, benötigt aber Energie. Also arrangieren sie einen Tauschhandel, bei dem die Arbuskeln in den Wurzelzellen die Schnittstelle, der Tisch, sind: Hier gibt der Pilz Nährstoffe und Wasser im Austausch gegen löslichen Zucker ab. Das verfügbare Wasser und die Nährstoffe werden von der Pflanze für ihr Zellwachstum benötigt. Das Tolle ist, dass das nicht der einzige Vorteil für die Pflanze ist: Die Anwesenheit von Mykorrhiza und Handelsmolekülen erhöht die Widerstandsfähigkeit gegenüber biotischen Faktoren wie Insekten und Bakterien. Sie erhöht die Toleranz gegenüber Trockenheit und hohen Salzkonzentrationen, die sonst den Zellen Wasser entziehen würden. Für die Ektomykorrhiza von Bäumen gibt es sogar Hinweise darauf, dass sie die Pilze wie Telefondrähte nutzen, um miteinander zu kommunizieren - das sogenannte WOOD WIDE WEB! [3]
Zweideutigkeit in der Forschung
An dieser Stelle muss ich ein Geständnis machen. Ich habe den Eindruck erweckt, als seien wir Forscher*innen Besserwisser und wüssten über alles Bescheid. Was wir nicht sind. Und das sind wir nie wirklich. In manchen Fällen können wir mit größerer Sicherheit sagen: So funktioniert es wahrscheinlich. Wir sind ziemlich sicher, dass der Handel sowohl für die Pilze als auch für die Pflanzen von Vorteil ist. Wir kennen einige (aber wahrscheinlich nicht alle) der notwendigen Moleküle, die ausgetauscht werden [2]: Zucker wie Saccharose und Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphor. Wir kennen auch einige der Moleküle, die für die Anziehung des Myzels zur Pflanzenwurzel benötigt werden. Wie das Pflanzenhormon Strigolacton und der Myc-Faktor als Reaktion des Pilzes. Aber wir haben sicherlich keinen Überblick über die gesamte molekulare Kaskade, welches Element welches beeinflusst und welches Ereignis auslöst. Ganz zu schweigen vom Einfluss der Umgebung, des Wachstumsstadiums und der Bodenzusammensetzung. Wir wissen, was wir sehen können (wenn es unter kontrollierten Bedingungen angebaut wird) - wir kennen den Anfang und das Ergebnis und sind gerade dabei, den Weg dazwischen zu ergründen.
Aber das ist das Schöne an der Wissenschaft - es gibt immer mehr zu sehen und zu entdecken in der Komplexität der Dinge. Und ich bin eine große Verfechterin der Entmystifizierung der Wissenschaft und der Bekämpfung des weit verbreiteten Irrglaubens, dass Forschungsergebnisse endgültig, unbestimmt und unanfechtbar sind. Aber lasst uns auf die Landwirtschaft zurückkommen und sie als Beispiel für den Einfluss der Grundlagenforschung nehmen.
Bisher waren wir uns einig, dass Mykorrhiza gut ist, dass wir mehr davon wollen, um gesündere, bessere Ernten zu haben - und dass wir Beweise dafür haben, dass sie zur Ernährung der Pflanze beiträgt und daher die Menge an Dünger, die auf den Feldern ausgebracht werden muss, reduzieren könnte. Auf dem Ackerboden, wo wir die natürliche Fülle an Pilzen durch unsere traditionellen landwirtschaftlichen Techniken wie häufige Bodenbearbeitung, Düngung und den Anbau einjähriger Pflanzen stören, wäre die Ausbringung von mehr Mykorrhiza-Sporen für alle Beteiligten von Vorteil. Oder? .... Oder doch nicht? Sagen wir mal so, es gibt geteilte Meinungen.
Frühe Meta-Analysen [4,5] (das ist eine Zusammenfassung aller bekannten Experimente zu einer Forschungsfrage bis zum Zeitpunkt der Veröffentlichung) von Labor-, Gewächshaus- und Feldversuchen kommen zu dem Schluss, dass wir mit Mykorrhiza bessere Erträge und gesündere Pflanzen auf den Feldern haben. Und zwar eindeutig. Aber 2018 wurde eine widersprüchliche Übersichtsarbeit [6] veröffentlicht, in der die bisher durchgeführten Meta-Analysen kommentiert und die Methodik und die Schlussfolgerungen, die aus den Ergebnissen gezogen wurden, kritisiert wurden. Sie behaupten mit sehr deutlichen Worten, dass die Vorteile der Mykorrhiza-Förderung in der Landwirtschaft überrepräsentiert und überschätzt werden. Dieses sehr pikante Papier löste eine sofortige Reaktion der Autoren der frühen Übersichtsarbeiten aus [7] und die Forscher halten bis heute an ihren gegensätzlichen Ansichten fest.
Die Argumentation des widersprüchlichen Papiers offenbart ein häufiges Problem, das wir in der Wissenschaft haben: Äpfel mit Birnen zu vergleichen. Das ließe sich vermeiden, wenn jede*r Forscher*in die gleichen Methoden anwenden, die Ergebnisse auf die gleiche Weise berechnen, die gleichen Parameter betrachten und im besten Fall alle Parameter betrachten würde, ohne selektiv zu sein. Das ist fast unmöglich. Ein weiteres Problem ist der Vergleich der Ergebnisse aus Labor- und Gewächshausversuchen mit den tatsächlichen Bedingungen auf den Feldern. Die Forschung im Labor, selbst in Gewächshäusern, unterscheidet sich deutlich von Feldversuchen, bei denen die beeinflussende Umgebung nicht kontrolliert werden kann. Wenn wir in Labor- oder Gewächshausexperimenten die Wirkung von Mykorrhiza auf den Ernteertrag untersuchen wollen, können wir äußere Parameter wie Wasserverfügbarkeit, Sonnenlicht und Temperatur, Bodenzusammensetzung und Mykorrhiza-Vorkommen manipulieren, so dass sie für alle Pflanzen gleich sind. Ohne den Einfluss dieser Parameter berücksichtigen zu müssen, wird der Vergleich des Ertrags von Pflanzen, die mit Mykorrhiza angebaut werden, mit dem Ertrag von Pflanzen ohne Mykorrhiza erheblich erleichtert und liefert normalerweise aussagekräftige Ergebnisse. Versteht mich nicht falsch - Labor- und Gewächshausversuche sind von den realen Bedingungen weit entfernt, ermöglichen es uns aber, einzelne Parameter herauszugreifen und bestimmte Aspekte biologischer Prozesse zu beleuchten. Im Vergleich dazu mangelt es Feldversuchen, die näher an den üblichen landwirtschaftlichen Praktiken liegen, oft an der Eindeutigkeit der Ergebnisse, da wir die genannten Parameter nicht kontrollieren können und es schwierig ist, alle relevanten Faktoren zu überwachen, wenn wir sie überhaupt kennen. Darunter leidet die Signifikanz - die Ergebnisse werden verwässert, da wir uns nur bei starken Veränderungen und eindeutigen Einflüssen sicher sein können. Ich möchte damit sagen, dass Labor- und Gewächshausexperimente wichtig sind, um Detailwissen über die Pflanzenbiologie zu erlangen, während Feldversuche den Realitätscheck in der Natur liefern - aber die Extrapolation von Ergebnissen aus Gewächshausversuchen auf das Feld nicht immer möglich ist.
Unterm Strich
Bis heute streitet sich die Wissenschaft über die Vorzüge der Mykorrhiza in der Landwirtschaft. Das macht es den politischen Entscheidungsträger*innen schwer, die Anwendung von Mykorrhiza-Sporen auf den Feldern zu fördern, und lässt die Betroffenen aus der Landwirtschaft mit der Angst vor Ertragseinbußen machtlos gegenüber den immer extremeren Wetterbedingungen zurück. Während die Forschung voranschreitet und ständig neue wissenschaftliche Ergebnisse erzielt werden, fordern die Öffentlichkeit und die Landwirtschaft Veränderungen - aber diese werden nur langsam umgesetzt. Die Unklarheit in der Forschung ist meiner Meinung nach ein Grund dafür, dass die Landwirtschaft immer noch überwiegend konservativ ist (mit High-Tech-Upgrades wie GPS-gesteuerten Traktoren und Drohnenbeobachtung). Ich möchte hier nicht zu sehr in die Tiefe gehen - denn ich kenne die Landwirtschaft, den realen Pflanzenbau, nicht so gut wie die Grundlagenwissenschaft (die ehrlich gesagt auch sehr begrenzt ist). Aber ich weiß, dass die Wissenschaft floriert, dass die Technologie voranschreitet und dass der Wille da ist, sich zu verändern - sich anzupassen, so wie Pflanzen sich der Sonne und dem Wind anpassen.
P.S.: Habe ich euch neugierig gemacht? Ich habe nicht darüber gesprochen, worum es bei meiner Forschung eigentlich geht. Oder um die Methoden, die in der molekularen oder der angewandten Wissenschaft verwendet werden. Obwohl ich gerne über mich und meine Arbeit spreche, hielt ich sie für zu komplex, um sie auf nur wenigen Seiten zusammenzufassen. Und es zu verallgemeinern, wäre ehrlich gesagt zu langweilig. Ich freue mich darauf, euch mehr über die Pflanzenwissenschaft zu erzählen, egal für welches Thema ihr euch interessiert (falls ich mich damit auskenne) und vielleicht das eine oder andere zu diskutieren. Wendet euch gerne an info@assoziation-e.org, dort werden eure Anfragen an mich weitergeleitet :))
Referenzen
[1] L. A. Harrier, “The arbuscular mycorrhizal symbiosis: A molecular review of the fungal dimension,” J. Exp. Bot., vol. 52, no. SPEC. ISS. MAR., pp. 469–478, 2001, doi: 10.1093/jxb/52.suppl_1.469.
[2] M. Parniske, “Arbuscular mycorrhiza: The mother of plant root endosymbioses,” Nat. Rev. Microbiol., vol. 6, no. 10, pp. 763–775, 2008, doi: 10.1038/nrmicro1987.
[3] S. W. Simard, D. A. Perry, M. D. Jones, D. D. Myrold, D. M. Durall, and R. Molina, “Net transfer of carbon between ectomycorrhizal tree species in the field,” Nature, vol. 388, no. August, pp. 579–582, 1997, https://doi.org/10.1038/41557.
[4] Y. Lekberg and R. T. Koide, “Is plant performance limited by abundance of arbuscular mycorrhizal fungi? A meta-analysis of studies published between 1988 and 2003,” New Phytol., vol. 168, no. 1, pp. 189–204, 2005, doi: 10.1111/j.1469-8137.2005.01490.x.
[5] E. Pellegrino, M. Öpik, E. Bonari, and L. Ercoli, “Responses of wheat to arbuscular mycorrhizal fungi: A meta-analysis of field studies from 1975 to 2013,” Soil Biol. Biochem., vol. 84, pp. 210–217, 2015, doi: 10.1016/j.soilbio.2015.02.020.
[6] M. H. Ryan and J. H. Graham, “Little evidence that farmers should consider abundance or diversity of arbuscular mycorrhizal fungi when managing crops,” New Phytol., vol. 220, no. 4, pp. 1092–1107, 2018, doi: 10.1111/nph.15308.
[7] M. C. Rillig et al., “Why farmers should manage the arbuscular mycorrhizal symbiosis,” New Phytol., vol. 222, no. 3, pp. 1171–1175, 2019, doi: 10.1111/nph.15602.