Fotosynthese Dünger aus der Krone

Pflanzen haben immer Bedarf an Stickstoff. Nur Bakterien im Boden könnten ihn verwerten, hieß es stets. Schaffen es auch Mikroben in den Blättern?

Von Elizabeth Pennisi

Pappeln sind die am schnellsten wachsenden Bäume außerhalb der Tropen. Selbst auf unwirtlichem Boden können sie in weniger als zehn Jahren 30 Meter in die Höhe schießen. Sharon Doty sagt, das sei das Verdienst von Bakterien, die in den Blättern der Bäume leben.

Während die Blätter damit beschäftigt sind, Sonnenlicht in chemisch gebundene Energie etwa in Form von Zucker zu verwandeln, holen die Mikroben Doty zufolge Stickstoff aus der Luft und stellen ihn dem Baum sozusagen als Dünger für sein rasantes Wachstum zur Verfügung.

Mit dieser Behauptung widerspricht die Pflanzenmikrobiologin von der University of Washington in Seattle radikal dem traditionellen Lehrbuchwissen. Danach wird nämlich Stickstoff fast ausschließlich von Bodenbakterien, die auf den Wurzeln vieler Pflanzen leben, aus der Luft geholt und für die Gewächse nutzbar gemacht. Dass dieser lebenswichtige Vorgang auch in Baumwipfeln stattfinden soll, ist für viele Botaniker eine radikale Idee. "Wir kämpfen gegen ein Dogma", sagt Doty.

Stickstofffixierende Bakterien weiter verbreitet als angenommen

Die Forscherin musste ihre Hypothese vor einigen Tagen auf einem Kongress über Symbiose verteidigen, der im kalifornischen Yosemite-Nationalpark stattfand. Sie berichtete dort von den ersten direkten Hinweisen, dass Pappeln dank bakterieller Hilfe Stickstoff erhalten - und dass die Mikroben auch anderen Pflanzen einen Boost geben könnten.

Unterstützung bekam sie von der Mikrobiologin Carolin Frank, die an der University of California in Merced der Frage nachgeht, wie Bäume auf nährstoffarmen Böden gedeihen. Auch die Zirbelkiefer, ein langsam wachsender Baum in den steinigen Hochlagen der nordwestamerikanischen Gebirge, bekommt Stickstoff von Bakterien, die in den Nadeln leben, vermutet Frank.

Beide Biologinnen glauben, dass stickstofffixierende Bakterien viel weiter verbreitet sind als bisher angenommen wurde. Sie könnten vermutlich auch den Ertrag von Getreide auf kargen Böden steigern. In Dotys Labor wuchsen zumindest nach ihren Angaben mehrere Pflanzenarten besser, nachdem sie mit Pappelbakterien besiedelt wurden. Zuletzt hat sie das erfolgreich mit Reis versucht. Andere Pflanzenphysiologen sind noch sehr skeptisch - aber interessiert: "Wenn es solche Bakterien bei mehreren Baumarten geben sollte, wäre das eine riesige Entdeckung", sagt der Mikrobiologe Douglas Cook von der University of California in Davis.

Experimente "stehen noch aus"

Bereits seit den 1990er-Jahren bringen neue Erkenntnisse das alte Dogma "Stickstofffixierung findet nur in den Wurzeln statt" gelegentlich ins Wanken - zum Beispiel durch die Entdeckung der sogenannten Endophyten. Das sind Bakterien, die in Pflanzen leben, statt nur auf ihnen, und ihre Wirte wahrscheinlich mit Stickstoff versorgen. "Allerdings", schränkt Cook ein, "die Experimente, die das wirklich beweisen könnten, stehen noch aus und sie sind nicht trivial".

Das wesentliche Argument, das gegen die Existenz solcher Bakterien spricht, liegt in der Schwachstelle eines entscheidenden Enzyms. Die sogenannte Nitrogenase der Bakterien bindet den Stickstoff aus der Umgebung. Pflanzen haben dieses Enzym nicht, brauchen aber Stickstoff unbedingt zum Leben. Die Nitrogenase funktioniert aber nur gut, wenn sie keinen Kontakt zu Sauerstoff hat. Im Boden ist das kein Problem, an der Luft jedoch sehr wohl. Cook und andere argumentieren deshalb, dass das Schlüsselenzym nicht in Blättern arbeiten könne, wo die Fotosynthese ständig Sauerstoff freisetzt.