Weniger Dünger dank smarter Allianzen: Neue Studie enthüllt zentralen Schalter zur Symbiosebildung

Um dem Phosphatmangel im Boden zu trotzen, nutzen Pflanzen eine evolutionäre Strategie und gehen Symbiosen mit Mykorrhizapilzen ein, die sie effizient mit Phosphat und lebenswichtigen Mineralien versorgen. Forschende des Leibniz-Instituts für Pflanzenbiochemie (IPB) in Halle und der Universität Bonn haben nun einen molekularen Schalter entdeckt, der den pflanzlichen Phosphatgehalt misst und das Signal für oder gegen diese Partnerschaft gibt. Der Signalweg könnte künftig dafür genutzt werden, die Symbiose selbst bei ausreichender Phosphatverfügbarkeit zu aktivieren. Das bietet einen vielversprechenden Lösungsansatz für ein langjähriges Problem der Landwirtschaft und eröffnet neue Wege, um den Einsatz von Düngemitteln spürbar zu reduzieren.

Pflanzen-Pilz-Symbiose: Der Schlüssel zu stabileren Erträgen

Die Beimpfung von Nutzpflanzen mit Mykorrhizapilzen gilt als entscheidende Maßnahme zur Steigerung landwirtschaftlicher Erträge, da die feinen Pilzhyphen wie ein erweitertes Wurzelsystem die Aufnahme von Nährstoffen erheblich verbessern. Das gilt besonders für das überlebenswichtige Phosphat, den zentralen Garanten des pflanzlichen Energiehaushaltes. Allerdings ist diese Partnerschaft für die Pflanzen mit Kosten verbunden, da sie einen Teil ihrer produzierten Kohlenhydrate an die Pilze abgeben müssen.

„Dieser Aufwand ist für die Pflanze so groß, dass sie die Symbiose unterdrückt, wenn genügend Phosphat im Boden verfügbar ist“, erklärt Martina Ried‑Lasi, Leiterin der Arbeitsgruppe Symbiose-Signaling am IPB. Obwohl die Phosphatversorgung in diesem Fall ausreicht, wirkt sich der Verzicht auf die Symbiose dennoch nachteilig auf die Erträge aus, weil die Pilze zusätzlich die Aufnahme von Stickstoff, Magnesium und Kalium fördern. „Für die Landwirtschaft werden daher Strategien gesucht, Kulturpflanzen unabhängig vom Phosphatgehalt im Boden mykorrhizieren zu können“, sagt Gabriel Schaaf. „Unsere Studie zeigt einen möglichen Ansatz, um solche Symbiosen künftig gezielt zu fördern.“

Enzym VIH2: Der entkoppelte Schalter für die Pilzsymbiose

In Experimenten mit der Modellpflanze Lotus japonicus identifizierte das Forschungsteam das Enzym VIH2 als zentralen Schalter der Symbiosebildung. VIH2 steuert die Erzeugung von Inositol-Pyrophosphaten, jenen Signalmolekülen, die den Phosphatstatus anzeigen. Bei akutem Phosphatmangel in der Zelle bildet VIH2 nur wenige dieser Moleküle, was ein zelluläres Notprogramm startet – dieses aktiviert Phosphatmangel-Gene, baut die Wurzelarchitektur um und leitet die Mykorrhizasymbiose ein. Ist die Pflanze hingegen gut versorgt, produziert das Enzym große Mengen der Signalmoleküle, wodurch das Mangelprogramm stoppt und die Partnerschaft mit den Pilzen unterdrückt wird.

„Wir haben untersucht, ob eine gezielte Drosselung des Enzyms das Notprogramm wieder startet und damit die Mykorrhizabildung ermöglicht“, berichtet Martina Ried-Lasi. „Und in der Tat: Die Pflanzen verhielten sich so, als litten sie unter Phosphatmangel, obgleich ausreichend Phosphat im Nährmedium vorhanden war.“

In der Folge hielten die Pflanzen ihre intensive Besiedlung durch Mykorrhizapilze aufrecht, die sie unter diesen Bedingungen normalerweise unterdrücken würden. Als wichtigste Erkenntnis zeigte sich dabei, dass die erzwungene Symbiose keinerlei negative Auswirkungen auf das Wachstum und die Entwicklung beider Partner hatte. Die Pilzstrukturen in den Wurzeln blieben stabil sowie funktionsfähig, und die Pflanzen wiesen eine erhöhte Aufnahme von Phosphat und weiteren Nährstoffen auf.

„Damit konnten wir die Regulation der Mykorrhizasymbiose vom Phosphatgehalt im Boden entkoppeln“, sagt Gabriel Schaaf. „Genau das gilt seit Jahrzehnten als zentrales Ziel der Mykorrhizaforschung.“

Neue Wege gegen die Phosphatkrise

Mit dem regulatorischen Schalter VIH2 haben die Pflanzenexperten einen wichtigen Mechanismus gefunden, um die Etablierung der Symbiose bei Kulturpflanzen künftig gezielt zu beeinflussen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ansätzen lässt sich die Symbiosebereitschaft über moderne Züchtungsverfahren wie die Genomeditierung flexibel und schnell optimieren. Obwohl sich die Effekte auf Ertrag und Stabilität noch unter Feldbedingungen bestätigen müssen, liefert die Studie bereits ein neues konzeptionelles Modell, das die Phosphatwahrnehmung direkt mit der Steuerung symbiotischer Beziehungen verknüpft.

Da Phosphat eine begrenzte, oft mit Schwermetallen belastete Ressource ist, die jedoch im Energiestoffwechsel aller Lebewesen eine zentrale Rolle spielt, werden rund 90 Prozent der jährlich weltweit geförderten 200 Millionen Tonnen Rohphosphate für Düngemittel aufgewendet. Ohne diese wäre ein ertragreicher Anbau zwar nicht möglich, allerdings führt der übermäßige Einsatz von Mineraliendüngern zu gravierenden Umweltproblemen wie Bodenbelastungen, Grundwasserverunreinigungen und der Eutrophierung von Gewässern. In diesem Kontext erweist sich die Mykorrhizierung von Nutzpflanzen als entscheidender Hebel: Mithilfe der pilzlichen Helfer im Boden kann die Landwirtschaft den Einsatz mineralischer Dünger reduzieren und gleichzeitig das Risiko von Gewässerüberdüngungen senken.

Quelle

Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie (05/2026)