Stickstoff ist für das Leben auf der Erde unerlässlich, vor allem weil er ein Schlüsselbestandteil von Aminosäuren ist, den Bausteinen von Proteinen. Pflanzen sind da keine Ausnahme und müssen nutzbaren Stickstoff erhalten, um zu überleben. Einige Pflanzen gehen bekanntermaßen symbiotische Beziehungen mit Bodenbakterien ein, die in der Lage sind, gasförmigen Stickstoff in einer für die Pflanze nutzbaren Form zu fixieren. Landwirtschaftlich wichtige Leguminosen machen einen erheblichen Teil der Pflanzen aus, von denen bekannt ist, dass sie in diese symbiotischen Beziehungen eingehen. Die Effizienz dieser Beziehung kann in Abhängigkeit von Faktoren wie Umgebungsbedingungen und der Art der beteiligten Bakterien variieren. Die Maximierung dieser Effizienz ist sowohl für die Erzielung des bestmöglichen Ertrags aus Leguminosen als auch für die Rückführung von Stickstoff in den Boden zur Nutzung durch andere Kulturen von Interesse. In einem kürzlich veröffentlichten Artikel in PNAS, Marcela Mendoza-Suárez und Kollegen entwickeln eine Methode zur Messung der Effizienz dieser Beziehung aus bakterieller Sicht. Eine spannende mögliche Anwendung dieser Methode wird die Auswahl der besten Bakterien sein, um das Beste aus dieser Symbiose in landwirtschaftlichen Szenarien herauszuholen.

Stickstofffixierende Bakterien (auch bekannt als Rhizobien) werden von Leguminosen beherbergt, um nutzbaren Stickstoff in spezialisierten Wurzelstrukturen, sogenannten Knötchen, zu erhalten (siehe Abbildung unten). Hülsenfrüchte sind eine wichtige globale Nahrungsquelle und eine, die dem Erstautor besonders am Herzen liegt. Wie Marcela Mendoza-Suárez gegenüber Botany One sagte: „Ich komme ursprünglich aus Mexiko, wo Bohnen Teil unserer Grundnahrungsmittel sind und für Familien mit niedrigem Einkommen, die keinen Zugang zu tierischen Produkten haben, die Hauptquelle für Proteine ​​und Mineralien sind , Ballaststoffe, Kohlenhydrate und Vitamine. Eine ähnliche Situation gibt es in ganz Lateinamerika, in vielen afrikanischen Ländern und in Indien, wo Hülsenfrüchte die Hauptquelle für Proteine ​​sind. Leider haben Landwirte mit niedrigem Einkommen in all diesen Gebieten aufgrund der hohen Kosten keinen Zugang zu chemischen Düngemitteln.'

Um die Effizienz verschiedener Rhizobienstämme in ihrer Interaktion mit Pflanzen zu messen, machten sich Mendoza-Suárez und Kollegen daran, zwei Schlüsselparameter zu messen. Erstens ist die Menge an Stickstoff-fixierenden Enzymen, die produziert werden. Mit anderen Worten, wie „effektiv“ ein bestimmter Rhizobienstamm bei der Stickstofffixierung sein könnte. Um dies zu messen, konstruierten die Autoren DNA-Sequenzen, die ein fluoreszierendes Protein eines synthetischen Genpromotors exprimieren, ähnlich dem stromaufwärts von Genen, die stickstofffixierende Enzyme codieren. Wenn es in Rhizobien eingeführt wird, bewirkt dies die Produktion des fluoreszierenden Proteins proportional zur Menge an stickstofffixierenden Enzymen, die die Bakterien produzieren. Eine Ablesung davon kann erhalten werden, indem die Menge an Fluoreszenz gemessen wird, die von Wurzelknollen kommt.

Der zweite zu messende Parameter ist, wie „konkurrenzfähig“ verschiedene Rhizobienstämme sind, z. B. ob sie in der Lage sind, alle anderen Rhizobien in einem Knollen zu übertreffen oder alle Knollen im Wurzelsystem zu besiedeln. Zu diesem Zweck fügten die Autoren einzigartige „Barcode“-Sequenzen in jedes DNA-Konstrukt ein, das sie für jeden Rhizobienstamm erstellten. Anhand dieser Sequenzen konnten sie feststellen, welche Rhizobienstämme in jedem Knollen vorhanden waren und ob einige Stämme im Vergleich zu anderen besser in der Lage waren, sich über alle Knollen auszubreiten. Daraus wurde für jeden Rhizobienstamm ein Wettbewerbsfähigkeitsindex berechnet. Ein Stamm, G083, hatte einen höheren Konkurrenzfähigkeitsindex als jeder andere und kam in allen von den Autoren getesteten Pflanzen vor. G083 erzeugte im Vergleich zu anderen Stämmen auch hohe Mengen an Fluoreszenz in Knötchen. G083 ist daher unter den in dieser Studie verwendeten Bedingungen ein möglicher „Elite“-Rhizobienstamm, da er sowohl wettbewerbsfähig als auch wirksam ist. Diese und andere Hochleistungssorten könnten eine Alternative zu teuren chemischen Düngemitteln sein.

Wie die Autoren betonen, bleibt abzuwarten, ob G083 und andere Hochleistungsstämme unter verschiedenen Umweltbedingungen die gleiche Leistung erbringen. Die von ihnen entwickelten Methoden bieten jedoch eine Plattform für weitere Untersuchungen dazu. Während die Autoren die meisten ihrer Messungen auch an verschiedenen Stämmen einer Rhizobienart (Rhizobium leguminosarum) in Erbsenpflanzen zeigen sie, dass die von ihnen verwendeten DNA-Konstrukte auch von einigen anderen Rhizobienarten zumindest teilweise exprimiert werden können. Damit könnte die von den Autoren entwickelte Methode zukünftig auf eine Vielzahl von Rhizobienarten in unterschiedlichen Leguminosen angewendet werden. Mendoza-Suárez sagt: „Ich hatte die Gelegenheit, dieses Tool in einem großen Projekt für nachhaltige Pflanzenproduktion namens ProFaba zu testen. Unser oberstes Ziel ist es, die besten Zuchttechniken für Ackerbohnen zu finden. Dank dieses Projekts suche ich jetzt an vielen Standorten in Dänemark, Deutschland, Frankreich, Irland, Finnland, Großbritannien und Spanien nach Elite-Rhizobienstämmen. Beobachten Sie diesen Raum dann!