HHO5 könnte die Stickstoffnutzung von Nutzpflanzen deutlich verbessern

Landwirte verlieren etwa die Hälfte jeder ausgebrachten Düngermenge. Ein großer Teil wird in Flüsse gespült, gelangt in die Atmosphäre oder verbleibt im Boden – mit höheren Kosten und mehr Umweltverschmutzung als Folge.

Forschende haben nun ein Pflanzenprotein identifiziert, das Nutzpflanzen signalisiert, keine weitere Stickstoffaufnahme vorzunehmen, obwohl im Boden noch reichlich Stickstoff vorhanden ist.

Wurde dieses Protein entfernt, nahm eine Modellpflanze im Labor fast dreimal so viel Stickstoff auf. Das eröffnet die Möglichkeit, Nutzpflanzen zu entwickeln, die Dünger deutlich effizienter verwerten.

Düngerverluste sind ein weltweites Problem

Stickstoffdünger steigert die Ernteerträge seit Jahrzehnten. Pflanzen nehmen jedoch nur etwa 50 % des Stickstoffdüngers auf, den Landwirte auf ihren Feldern ausbringen. Ein erheblicher Teil des Restes sickert in die Wasserversorgung. Dort kann er Wasserlebewesen schädigen und weit flussabwärts schädliche Algenblüten fördern.

Im Boden zurückbleibender Stickstoff erhöht zudem die Emissionen von Lachgas. Über einen Zeitraum von 100 Jahren speichert dieses Gas Wärme 273-mal wirksamer als Kohlendioxid.

Auch die Kosten setzen unter Druck. Die Herstellung und der Transport von Dünger sind teuer und geopolitischen Einflüssen ausgesetzt; außerdem macht ein instabiler Stickstoffbestandteil die Lagerung riskant.

Geleitet wurde die Studie von Gloria Coruzzi, Carroll and Milton Petrie Professorin im Fachbereich Biologie der NYU. Gemeinsam mit Mariana Obertello vom INGEBI in Buenos Aires führte sie die Arbeiten durch.

„Eine verbesserte Effizienz der Düngernutzung hätte bedeutende ökologische, wirtschaftliche und geopolitische Auswirkungen“, sagt Coruzzi.

Woher wissen Pflanzen, dass sie genug Stickstoff haben?

Das Team suchte nach Genen, die nicht bloß auf das Vorhandensein von Stickstoff reagieren, sondern dosisabhängig ansprechen. Ziel war es, Regulatoren zu erfassen, die nur bei bestimmten Konzentrationen aktiv werden.

Dafür kultivierten die Forschenden Arabidopsis, eine kleine Blütenpflanze, die als Modellorganismus der Pflanzenbiologie dient. Zwei Stunden lang behandelten sie die Wurzeln mit sechs Stickstoffdosen und sequenzierten sie anschließend.

Die Suche führte zu einem Protein mit der Bezeichnung HHO5. Dabei handelt es sich um einen Transkriptionsfaktor, also ein Protein, das andere Gene an- oder abschaltet. Wie sich zeigte, steuert HHO5 abhängig von der Stickstoffdosis sowohl die Genexpression im gesamten Genom als auch das Pflanzenwachstum.

Ausschlaggebend war nicht allein die Menge, sondern auch die Stickstoffform. Die HHO5-Spiegel stiegen, sobald die Pflanze ausreichend organischen Stickstoff enthielt – jene Form, die für Transport, Speicherung und Aminosäuren genutzt wird.

„Durch die Identifizierung von Genregulatoren, die auf unterschiedliche Mengen und Arten von Stickstoff empfindlich reagieren, haben wir einen regulatorischen Faktor entdeckt, der die Stickstoffnutzung steuert, sowie einen Schlüssel zur Verbesserung der Stickstoffaufnahme und Assimilation zu organischem Stickstoff in Pflanzen“, sagt Coruzzi.

HHO5 versetzt Pflanzen in einen Energiesparmodus

Nach seiner Aktivierung erfüllte HHO5 zwei Funktionen zugleich. Es förderte Gene des Stoffwechsels von organischem Stickstoff und Aminosäuren, während es Gene abschaltete, die zusätzlich anorganischen Stickstoff aus dem Boden aufnehmen.

Die Umwandlung von anorganischem in organischen Stickstoff kostet die Pflanze viel Energie. Den Zustrom zu stoppen, sobald der Speicher gefüllt ist, scheint daher eine Strategie zur Energieeinsparung zu sein.

„Dies wurde zum Modell dafür, wie Pflanzen über HHO5 Stickstoffsättigung herstellen“, sagt Will Hinckley, Doktorand an der NYU und Hauptautor der Studie.

Ein zweites Protein verändert die Reaktion

Wie ein einzelnes Protein beide Aufgaben übernehmen kann, hing von seinem Partner ab. Allein schaltet HHO5 die Aufnahmegene ab. Bindet es sich jedoch an ein zweites Protein namens WRKY21, wird es zu einem Aktivator.

Das Team überprüfte dies mit einer Methode namens DoubleTARGET. Dabei werden zwei Proteine jeweils mit einem fluoreszierenden Marker versehen, in isolierten Pflanzenzellen exprimiert und anschließend sequenziert, um zu ermitteln, welche Gene das Proteinpaar kontrolliert.

Zellen mit hohen Mengen sowohl von HHO5 als auch von WRKY21 zeigten eine stärkere Expression von Genen für organischen Stickstoff und von Abwehrgenen.

Coruzzi und Hinckley beantworteten Fragen von Earth.com gemeinsam per E-Mail und erklärten, dass gerade diese Doppelrolle den Erwartungen aus Lehrbüchern widerspreche.

„Klassischerweise wurden Transkriptionsfaktoren (TFs) entweder als Aktivatoren der Genexpression ODER als Repressoren betrachtet, nicht als beides“, teilten sie Earth.com mit.

Dass WRKY21 als Partner erkannt wurde, der HHO5 von einem Repressor in einen Aktivator verwandelt, sei der Schlüssel zum gesamten Mechanismus, so die Forschenden. Andere Proteine der HHO-Familie sind dafür bekannt, die Aufnahme von anorganischem Stickstoff zu unterdrücken. Dass HHO5 Reaktionen auf organischen Stickstoff aktiviert, ist jedoch einzigartig für dieses Protein.

Das Entfernen von HHO5 steigert die Stickstoffaufnahme

Im abschließenden Versuch entfernten die Forschenden das Protein vollständig. Teams in Argentinien und an der NYU untersuchten Arabidopsis-Pflanzen, denen HHO5 gänzlich fehlte.

Der Zugewinn zeigte sich genau unter den Bedingungen, unter denen er für die Landwirtschaft besonders relevant wäre. Pflanzen ohne HHO5 nahmen bei niedrigem Stickstoffangebot fast dreimal mehr Stickstoff auf, berichten Coruzzi und Hinckley.

„Einfach ausgedrückt hätten die Pflanzen eine höhere Stickstoffnutzungseffizienz“, sagen sie. „Das würde Landwirten die Kosten für N-Dünger ersparen und könnte zudem die Umweltfolgen eines übermäßigen N-Einsatzes verringern.“

„Da die Entfernung von HHO5 zudem die Stickstoffaufnahme verbessert, deutet dies darauf hin, dass eine Veränderung von HHO5 zu konkreten Verbesserungen bei der Stickstoffassimilation und im Stickstoffstoffwechsel von Pflanzen führen könnte“, sagt Obertello.

Die NYU hat eine Patentanmeldung zu den Ergebnissen eingereicht, die auf eine Verbesserung der Stickstoffnutzungseffizienz in Pflanzen abzielt.

Höhere Stickstoffaufnahme hat Nachteile

Das Ergebnis unterliegt Einschränkungen, die klar benannt werden sollten. Untersucht wurde Arabidopsis auf Agarplatten und in Hydrokulturtanks, nicht Mais auf einem Acker.

Für ihren gesteigerten Appetit zahlten die Mutantenpflanzen ebenfalls einen Preis. Ohne HHO5 verlangsamte sich das Wurzelwachstum, die Zahl der Samen pro Schote sank, und der Stickstoffgehalt der Samen nahm ab.

Das ist bedeutsam, denn der Zweck von Dünger ist die Getreideernte und nicht mehr Wurzelmasse. Stickstoff, der in die Pflanze gelangt, nützt nur dann, wenn er die Pflanzenteile erreicht, die Menschen verzehren.

HHO5 unterscheidet sich auch noch in anderer Hinsicht von verwandten Proteinen. Es befindet sich in Phloemzellen – dem Gewebe, das Stickstoff innerhalb der Pflanze transportiert. Das könnte erklären, weshalb der Verlust dieses einen Gens so starke Auswirkungen hat.

„Wir waren begeistert festzustellen, dass HHO5 spezifisch im Phloem exprimiert wurde“, sagen Coruzzi und Hinckley. „Phloemzellen sind hoch spezialisiert und für den N-Transport wichtig.“

Die Studie sollte ursprünglich die Stickstoffdosis und die Stickstoffform untersuchen. Wie die Forschenden sagen, erwies sich jedoch die Position des Proteins innerhalb der Pflanze als ebenso wichtig.

Auf dem Weg zu effizienteren Nutzpflanzen

Das übergeordnete Ziel besteht darin, Pflanzen zu entwickeln, die weiter Stickstoff aufnehmen, solange der Boden noch etwas bereitstellt. Andere Teams verfolgen dasselbe Ziel stattdessen über stickstofffixierende Bakterien.

„Dieses Wissen könnte bei der Entwicklung ‚gefräßiger‘ Pflanzensorten helfen, die mehr verfügbaren Stickstoff aufnehmen“, sagt Hinckley.

Das Team ist zuversichtlicher, als diese Formulierung vermuten lässt. Gene der Stickstoffreaktion sind zwischen Arabidopsis und Mais stark konserviert, erklären Coruzzi und Hinckley. Zudem steht HHO5 selbst im Zentrum eines Netzwerks der Stickstoffreaktion, das Arabidopsis und Reis gemeinsam haben.

„Wir haben außerdem gezeigt, dass die bei Arabidopsis-Mutanten beobachteten Phänotypen einer erhöhten NUE in den orthologen Mutanten von Mais erhalten bleiben“, sagen sie. „Daher dürften die Ergebnisse zu HHO5 und der N-Nutzung bei Arabidopsis wahrscheinlich auf Mais und Reis übertragbar sein.“

Ob sich dieser Schalter in Weizen, Reis oder Mais auf dieselbe Weise verhält, muss allerdings noch unter Feldbedingungen gezeigt werden. Die bei Arabidopsis beobachtete Einbuße bei den Samen wäre das erste Problem, das eine Anwendung in Nutzpflanzen lösen müsste.

Finanziert wurde die Arbeit vom National Institute of General Medical Sciences der NIH; in Argentinien unterstützten ANPCyT und CONICET das Projekt.