Ohne HHO5 nehmen Modellpflanzen fast dreimal mehr Stickstoff auf

Arabidopsis-Pflanzen ohne das regulatorische Protein HHO5 haben unter bestimmten Stickstoffbedingungen annähernd dreimal so viel Stickstoff aufgenommen wie Pflanzen mit normalen HHO5-Werten. Das berichtet ein Forschungsteam der New York University (NYU) und des INGEBI in Buenos Aires in der Fachzeitschrift The Plant Cell. Die Ergebnisse benennen einen molekularen Ansatzpunkt, über den sich die Stickstoffaufnahme von Pflanzen künftig beeinflussen ließe. Das könnte langfristig Nutzpflanzen ermöglichen, mehr verfügbaren Stickstoff aus dem Boden zu verwerten und damit den nötigen Düngereinsatz zu verringern.

HHO5 wirkt wie ein molekulares Sättigungssignal

Ausgangspunkt der Untersuchung war die Frage, wie Pflanzen erkennen, wann sie ausreichend mit Stickstoff versorgt sind. Das Team suchte dazu nach Genen, deren Aktivität von der Stickstoffdosis und von der jeweiligen Stickstoffform abhängt. Dabei rückte HHO5 in den Mittelpunkt.

Das Protein ist ein Transkriptionsfaktor und beeinflusst somit, welche Gene in einer Zelle aktiviert oder abgeschaltet werden. Seine Bildung nahm zu, wenn in den Pflanzen ausreichend organischer Stickstoff vorhanden war. Diese Stickstoffform dient unter anderem dem Transport und der Speicherung sowie der Bildung von Aminosäuren.

Steigt der Gehalt an organischem Stickstoff, signalisiert HHO5 der Pflanze sinngemäß, die weitere Aufnahme aus dem Boden zu drosseln.

Dabei übernimmt das Protein zwei Aufgaben: Es fördert Gene, die auf organischen Stickstoff reagieren und am Aminosäurestoffwechsel beteiligt sind. Zugleich hemmt es Gene für die Aufnahme weiteren anorganischen Stickstoffs. Dieser wird über die Wurzeln aufgenommen und anschließend in organische Verbindungen überführt – ein Prozess, der viel Energie benötigt.

Ein Partnerprotein verändert die Funktion von HHO5

Die Forschenden untersuchten außerdem, wie HHO5 gegensätzliche Aufgaben erfüllen kann. Allein schaltet es Gene für die Aufnahme anorganischen Stickstoffs ab. Verbindet es sich dagegen mit dem regulatorischen Protein WRKY21, wird es zum Aktivator von Genen, die auf organischen Stickstoff reagieren.

Überprüft wurde dieses Zusammenspiel mit der Genomikmethode DoubleTARGET. Dabei stattete das Team isolierte Pflanzenzellen mit hohen Mengen beider regulatorischer Proteine aus und koppelte diese an unterschiedliche fluoreszierende Marker. Mittels RNA-Sequenzierung ließ sich anschließend erkennen, welche Zielgene auf die Proteinkombination reagierten. Zellen mit viel HHO5 und WRKY21 zeigten eine stärkere Aktivität von Genen, die auf organischen Stickstoff sowie auf Abwehrprozesse ansprechen.

Weniger Düngerverluste wären ökologisch und wirtschaftlich relevant

Nach Angaben der Forschenden nehmen Pflanzen nur rund die Hälfte des ausgebrachten Stickstoffdüngers auf. Ein Teil des übrigen Stickstoffs gelangt ins Wasser und kann Wasserorganismen schädigen sowie problematische Algenblüten fördern. Im Boden trägt nicht genutzter Stickstoff zudem zur Bildung von Lachgas bei, das über einen Zeitraum von 100 Jahren Wärme 273-mal wirksamer bindet als Kohlendioxid.

Für landwirtschaftliche Betriebe würde eine effizientere Stickstoffaufnahme bedeuten, dass sich mit weniger Dünger mehr des verfügbaren Nährstoffs tatsächlich in der Pflanze nutzen ließe.

Das wäre nicht nur wegen der Umweltfolgen relevant: Herstellung und Transport von Dünger verursachen Kosten und können durch geopolitische Probleme beeinträchtigt werden. HHO5 zu verändern, könnte daher ein Weg zu Pflanzen sein, die Stickstoff stärker aufnehmen und verwerten.

Die Resultate belegen allerdings noch nicht, dass der Ansatz bei Nutzpflanzen unter Feldbedingungen denselben Effekt erzielt. Untersucht wurden Arabidopsis, eine häufig verwendete Modellpflanze der Biologie, sowie isolierte Pflanzenzellen. Die Studie liefert damit zunächst einen Mechanismus und ein mögliches Ziel für weitere Züchtungs- oder gentechnische Forschung – keine bereits einsatzbereite Methode zur Verringerung des Düngerbedarfs.

Sollte die Forschung gezielt Pflanzen mit höherer Stickstoffaufnahme entwickeln, oder sehen Sie dabei Grenzen für Eingriffe in die Nährstoffregulation?