Wie Pflanzen Stickstoff regulieren

Um die Weltbevölkerung zu ernähren, sind fortwährend mehr Anbauerträge erforderlich, die in starkem Maße auf Stickstoff basieren, welches als Nitrat in Düngemitteln zugeführt wird. Derzeit wird nur ein Drittel des dem Boden zugeführten Stickstoffs von den Pflanzen genutzt – der Rest verschmutzt das Grundwasser und trägt zur Bildung von Treibhausgasen bei.

Das EU-finanzierte Projekt NITROSIGN (The molecular network linking nitrogen assimilation to growth) zielte darauf ab, die von Pflanzen aus dem Boden aufgenommene Stickstoffmenge zu erhöhen und die Effizienz, mit der die Pflanzen den assimilierten Stickstoff nutzen, zu verbessern.

Hierfür untersuchten Forscher ein Stickstoff transportierendes Protein mit der Bezeichnung NRT2.1, welches für die Stickstoffaufnahme von Wurzeln eine zentrale Bedeutung einnimmt. Es wurde gezeigt, dass über die Photosynthese produzierte Nitrate und Zucker jeweils die NRT2.1-Produktion erhöhen und potenziell die Stickstoffaufnahme steigern.

Da Pflanzen Stickstoff zur Bildung von Molekülen wie DNA und Aminosäuren nutzen, ist dieser von essenzieller Bedeutung für das Wachstum. Photosynthetische Zucker signalisieren der Pflanze möglicherweise mehr Stickstoff aufzunehmen und ermöglichen somit ein Pflanzenwachstum.

Bei weiterführenden Untersuchungen wurde im Zuge von NITROSIGN ein regulatorisches Protein mit der Bezeichnung Nin-Like Protein 7 (NLP7) entdeckt, das die als Reaktion auf Nitrat produzierte NRT2.1-Menge steuert und das an der zuckerinduzierten NRT2.1-Produktion beteiligt ist. Dessen genaue Funktion war jedoch unklar.

Im Anschluss an eine Untersuchung einer Vielzahl von Pflanzen, die verschiedene Mutationen im NLP7-Gen aufweisen, kamen Forscher zu der Vermutung, dass Zucker das Vorkommen von NLP7 steuert. In einem ineinandergreifenden Netz steuert NLP7 hingegen das Vorkommen des Stickstofftransporteurs NRT2.1.

Schließlich entdeckten die Forscher, dass die Stoffwechselprodukte bei der Verstoffwechselung photosynthetischer Zucker Signale erzeugen, die sich auf die NRT2.1-Produktion auswirken. Es wurde zudem ein Protein entdeckt, das mit NRT2.1 interagiert, um dessen Aktivität zu regulieren.

Die Identifizierung der Proteine und Zucker, die die NRT2.1-Produktion und Stickstoffaufnahme steuern, wird Forscher dabei unterstützen, zu verstehen, wie der komplexe stickstoffregulatorische Kreislauf funktioniert. Dies könnte Züchtern letztlich dabei behilflich sein, ertragreiche Anbaupflanzen unter stickstoffarmen Bedingungen zu erzeugen und den Bedarf an umweltzerstörenden Düngemitteln senken.