„In den Wurzeln lebend“

Rhizobium - Kein Gemüse ohne Bakterien

„Knöllchenbakterium“ heißt die Mikrobe des Jahres 2015, mit wissenschaftlichem Namen Rhizobium („in den Wurzeln lebend“). Diese Mikrobe erleichtert den Anbau von Bohnen, Erbsen, Linsen und Futtermitteln wie Klee. Die Bakterien liefern diesen Pflanzen das für ihr Wachstum notwendige Ammonium auf natürlichem Weg und ersetzen damit künstlichen Dünger. An den Wurzeln dieser Pflanzen sind die Knöllchen mit den Bakterien deutlich sichtbar. Die Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM) kürte diesen faszinierenden Mikroorganismus am 9. Februar 2015 zur Mikrobe des Jahres 2015. Der Titel wurde im letzten Jahr das erste Mal vergeben.

Impfung für Saatgut

Schon vor über 100 Jahren hatte man erkannt, dass die Hülsenfrüchtler, in einer Erde reich an Rhizobien, gut wachsen. Heutzutage wäre die weltweite Produktion von über 250 Millionen Tonnen Soja im Wert von 50 Milliarden US-Dollar nicht denkbar ohne Knöllchenbakterien: Schon das Saatgut wird mit dem verwandten Bakterium Bradyrhizobium beimpft, um das Wachstum der Soja-Pflanzen sicherzustellen. Die Pflanze sendet chemische Signale aus; daraufhin dringen die Bakterien in die Wurzelhärchen ein, und es entstehen in wenigen Wochen bakteriengefüllte Knöllchen.

Wurzelknöllchen am Rotklee, Foto:Harald Engelhardt,vbio

Knöllchen bilden Blutfarbstoff

In diesen Knöllchen bilden die Pflanzen einen roten Farbstoff (Leghämoglobin). Der ist nah verwandt mit dem menschlichen Blutfarbstoff Hämoglobin. Er sorgt – wie in unserem Blut – dafür, dass Sauerstoff gebunden werden kann. Das ist notwendig, um eine Sauerstoffarme Umgebung herzustellen. Nur dann funktioniert die spezielle Enzym-Maschinerie der Bakterien – und die kann etwas, was die Pflanze nicht kann: Sie wandelt den Stickstoff (N2) aus der Luft in Ammonium (NH4+) um. Pflanzen benötigen wie alle Lebewesen Ammonium, um Proteine und Bausteine für ihr Erbgut herzustellen. Alle Hülsenfrüchtler – zu denen insgesamt 18.000 Arten zählen – können dank des Rhizobiums und verwandter Bakterien auf stickstoffarmen Böden wachsen.

Pflanze und Bakterium: eine win-win-Situation

Vor schätzungsweise 100 Millionen Jahren entwickelte sich diese faszinierende Zusammenarbeit zwischen Pflanzen und Bakterien. Normalerweise versuchen Pflanzen, dass Eindringen von Bakterien zu verhindern. Doch hier entstand ein komplexes Kommunikationssystem, mit dem sich Pflanzen und Bakterien so verständigten, dass ein Zusammenleben zum beiderseitigen Nutzen gelingt: Die Bakterien können sich geschützt vermehren und mit Nährstoffen über die Pflanze versorgen lassen; die Pflanze kann karge Böden besiedeln. Diese Zusammenarbeit ist von hoher ökologischer und wirtschaftlicher Bedeutung, sichert sie doch die pflanzliche Vielfalt vom Hasenklee bis zu Bäumen wie Akazie, Johannisbrot und Palisander. Sie sichert aber auch unsere Ernährung mit Gemüse sowie der Futtermittelproduktion.

Knöllchenbakterien in der Wurzel von Schneckenklee (Medicago truncatula) vier Wochen nach Infektion mit Sinorhizobium meliloti, Foto: Ulrike Mathesius, Canberra

Ersatz für Mineraldünger

Mit dem Ackerbau haben die Menschen gelernt, die Ertragsfähigkeit von Böden mit Fruchtfolgen zu erhalten. Hülsenfrüchtler wie Rotklee, Lupine und Ackerbohne sind als Gründüngung die Grundlage für eine hohe Bodenqualität, weil Rhizobien die Stickstoffbindung auch für die Nachfrucht sicherstellen.

Nach Schätzungen binden Bakterien jährlich 170 Millionen Tonnen Stickstoff im Boden und in Pflanzen. Davon etwa ein Viertel auf Agrarflächen. Von Bakterien gebundener Stickstoff verringert zudem die Gewässerbelastung mit Nitrat. Wissenschaftler suchen daher intensiv nach einem Weg, die Zusammenarbeit mit den Rhizobien auf Getreidesorten zu übertragen. Doch vorher müssen sie erst die „Sprache“ entschlüsseln, mit denen die Rhizobien mit den Pflanzen kommunizieren und Wurzelknöllchen bilden.

Anja Störiko (Verband Biologie, Biowissenschaften und Biomedizin in Deutschland, vbio); roRo