Pflanzenzucht Geheimes Treiben im Untergrund

Das Hauptaugenmerk in der Zucht neuer Kulturpflanzen wie etwa Weizen lag lange auf den Merkmalen von Stängeln oder Ähren - nicht aber auf den Eigenschaften von Wurzeln.

(Foto: imago/Science Photo Library)

Lange haben sich Züchter nicht weiter für die Wurzeln der Pflanzen interessiert. Nun zeigt sich: Das Geflecht hat zahlreiche Funktionen - und ist der Schlüssel für höhere Erträge.

Von Andrea Hoferichter

Wenn Michelle Watt vom Forschungszentrum Jülich Wurzeln untersucht, braucht sie weder Spaten noch Mikroskop. Sie durchleuchtet Blumentöpfe samt Erde und Pflanzen in einem waschmaschinengroßen Magnetresonanztomografen wie ein Arzt seine Patienten. Die Technik ist die gleiche, nur steht die "Röhre" in Watts Labor senkrecht. "Wir beobachten damit das Wurzelwachstum über einen längeren Zeitraum in 3D und bei verschiedenen Wasser- und Nährstoffangeboten", sagt die Forscherin. Zwar funktioniert die Methode nur in metallfreier Spezialerde, aber auf den Bildern sind selbst mikrometerkleine Strukturen zu erkennen und damit viel mehr Details als etwa durch im Acker eingebaute Sichtfenster oder durch transparente Röhren, die mit Endoskopen und Kameras beschickt werden.

Die Hightech-Untersuchungen haben einen guten Grund, denn Wurzeln gelten heute als Schlüssel für höhere Erträge. "Jahrhundertelang konzentrierten sich alle auf den oberen Teil der Pflanzen. Es wurde zum Beispiel Mais mit immer größeren und schwereren Kolben gezüchtet. Die Wurzeln dagegen hatte man kaum im Blick", sagt Watt. Dabei macht das unterirdische Organ etwa die Hälfte einer jeden Pflanze aus und ist weit mehr als nur der Anker für den Spross. Wurzeln suchen aktiv nach Wasser und Nährstoffen, wehren Krankheitserreger, Schädlinge und Gifte ab. Sie interagieren mit Bodenmikroben und nehmen Nachbarpflanzen wahr. Je besser sie alle diese Aufgaben erfüllen, desto besser fällt auch die Ernte aus. "Wir wollen verstehen, welche Mechanismen dahinter stecken und die verantwortlichen Gene und Botenstoffe finden", erklärt die Forscherin.

Das Wissen soll helfen, besonders robuste und ertragreiche Sorten zu züchten, um die wachsende Weltbevölkerung mit ausreichend Nahrung zu versorgen. Denn ob Weizen, Soja, Reis und Mais, zurzeit stagnieren die Ernten in vielen Regionen und die Klimaerwärmung wird das Problem noch verschärfen. Jedes Grad Celsius mehr könnte Ertragseinbußen von mindestens drei bis sieben Prozent verursachen, warnten Agrarforscher kürzlich im Fachblatt PNAS. Mehr Dünger und Pestizide sind ebenfalls keine Lösung, zumal sie oft der Umwelt schaden. Strengere Auflagen und Verbote sind wahrscheinlich. Auch das treibt die Wurzelforscher an.

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Um möglichst schnell Ergebnisse zu erzielen, arbeitet das Team aus Jülich auch mit mathematischen Modellen. Im Fachblatt New Phytologist präsentierte es kürzlich das im Internet frei zugängliche Programm "OpenSimRoot", mit dem sich das Wurzelwachstum diverser Ackerpflanzen, Fruchtfolgen und Kombinationen inklusive Nährstoff- und Wasseraufnahme unter verschiedenen Bedingungen simulieren lässt. "Damit können wir vorhersagen, welche Züchtungsversuche und Experimente sich lohnen und welche nicht", sagt Watt.

Wird es kälter als zwölf Grad Celsius, nehmen Maiswurzeln bereits keine Nährstoffe mehr auf

Schon jetzt ist klar: Eine perfekte Wurzelstruktur gibt es nicht, auch weil Wurzeln keine statischen Gebilde sind, sondern sich je nach Nährstoff- und Wasserangebot umformieren können. Als Faustregel gilt, dass flache Wurzeln in der obersten Bodenschicht vor allem die überlebenswichtigen Nährstoffe Phosphat und Stickstoff aufnehmen während tiefe Wurzelstränge die Wasserzufuhr auch in trockenen Zeiten sichern. "Damit Pflanzen weder verhungern noch verdursten, versucht man hier Kompromisse zu finden", sagt Günter Neumann von der Universität Hohenheim in Stuttgart. Auch bei der Wurzeldichte sei ein Optimum gefragt. Zwar nehmen mehr Wurzelstränge mehr Nährstoffe und Wasser auf, doch zu viele dürfen es auch nicht sein. "Dann machen sie sich gegenseitig Konkurrenz und sie bekommen zu wenig Sauerstoff für ihren Stoffwechsel", so der Forscher.

Ein Musterbeispiel für effektiv arbeitende Wurzeln sind die sogenannten Clusterwurzeln mancher Lupinenarten, die selbst aus kargsten Böden noch Nahrhaftes ziehen können und aussehen wie Trauben aus winzigen Flaschenbürsten. Sie haben eine sehr große Oberfläche und geben unter anderem Zitronensäure in den Boden, die bei der Phosphataufnahme hilft.

"Die Wurzelarchitektur ist aber nicht allein ausschlaggebend dafür, wie gut oder schlecht die Ernte ausfällt", betont Neumann. Schlecht sei zum Beispiel Stress, etwa durch Kälte, Hitze oder Trockenheit. Maiswurzeln beispielsweise können schon bei Bodentemperaturen unter zwölf Grad Celsius keine Nährstoffe mehr aufnehmen, so üppig das Angebot auch sein mag. "Die Pflanzen verhungern sozusagen vorm vollen Napf", sagt der Forscher. Deshalb behandelt sein Team Samen mit sogenannten Mikronährstoffen wie Zink und Mangan, die für die Stressabwehr wichtig sind. Die Samen nehmen die Stoffe beim Quellen auf und haben dann eine eiserne Reserve für schlechte Zeiten. Algen- oder Pflanzenextrakte wiederum wirken auf die Pflanze wie Saunagänge auf den menschlichen Kreislauf. "Sie lösen eine leichte, aber nicht vernichtende Stressreaktion aus und trainieren so für den Ernstfall", erklärt Neumann.

Wie gut das funktionieren kann, zeigen Feldversuche im sechs Millionen Euro schweren EU-Projekt Biofector, das von Neumann koordiniert und gerade abgeschlossen wurde. Beteiligt waren 22 Forschungseinrichtungen aus elf Ländern. "Mit Mikronährstoffen versorgte Maiswurzeln waren um 58 bis 95 Prozent länger und die Erträge stiegen in drei von vier Versuchsjahren im Schnitt um 16 bis 17 Prozent", berichtet der Agrarforscher. Entsprechend behandelter Winterweizen sei ähnlich gut über die kalte Jahreszeit gekommen.

Der schmale Bodenbereich um die Wurzeln, von Biologen auch "Rhizosphäre" genannt, bietet noch mehr Möglichkeiten für Ertragssteigerungen. "Es sind nur Millimeter, aber von den Prozessen dort hängt praktisch alles ab", betont Neumann. Denn die Wurzeln sondern unter anderem Zucker, Aminosäuren und Enzyme ab, mit denen sie Bakterien und Pilze anlocken, die ihrerseits Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphat pflanzengerecht aufbereiten können. Präparate mit solchen nützlichen Mikroben kommen Neumann zufolge schon seit 120 Jahren zum Einsatz und die Feldversuche im EU-Projekt konnten die ertragssteigernde Wirkung von 38 kommerziellen und neu komponierten Mischungen wissenschaftlich belegen. "Allerdings hängt die Wirksamkeit stark von den Umwelt- und Anwendungsbedingungen und von einer Kombination mit geeigneten Düngemitteln ab", räumt der Wissenschaftler ein.

Es gibt eben noch eine Menge zu erforschen, nicht zuletzt weil nach wie vor unbekannt ist, was sich wirklich im Ackerboden abspielt. Neumann wundert das sehr: "Wir schicken Raumsonden zum Mars und können Gene mit Hochdurchsatzmethoden identifizieren. Aber so etwas Einfaches wie die Wurzeln eines Grasbüschels in einer Wiese beobachten, ohne in das System einzugreifen, das können wir noch immer nicht", sagt der Wissenschaftler.

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