Diese Woche Gastautor Charlie Haynes ist der umherziehende Reporter des AoB Blogs EPSO/FESPB-Konferenz Pflanzenbiologie Europa.
Hans Lambert ist Winthrop-Professor an der University of Western Australia. Er promovierte 1979 an der Universität Groningen in den Niederlanden und arbeitete seitdem an der Melbourne University, der Australian National University und der Utrecht University. Seine Forschung konzentriert sich auf die mineralische Ernährung einheimischer australischer Pflanzen sowie Nutz- und Weideleguminosen. Er erklärte sich freundlicherweise bereit, mit mir über einige der Herausforderungen der Phosphatverarmung im Boden zu sprechen.
Warum ist die Phosphatverarmung so bedeutend?
In Europa, das Lebensmittel und Futtermittel aus Regionen importiert, in denen Phosphat das Problem weiterverbreitet, ist dies von geringerer Bedeutung. Dort ist es ein Problem des Phosphatüberschusses, der auf die Felder ausgebracht wird und in die Gewässer gelangt. Europa könnte die Düngung jetzt einstellen und hätte trotzdem noch die nächsten 20 Jahre Ernten. In anderen Teilen der Welt – Australien, Südamerika, Afrika und Südostasien – ist Phosphatmangel jedoch ein ernstzunehmendes Problem. Dies kann daran liegen, dass die Menge im Boden für einen effektiven Pflanzenbau zu gering ist, oder dass Phosphat zwar vorhanden, aber nicht ausreichend verfügbar ist. Es ist also ein Problem für die Pflanzenproduktion und damit für die Ernährungssicherheit. Was wir aber tun können, ist, Pflanzen anzubauen, die den Phosphor im Boden viel effektiver nutzen können. Hier bietet sich eine enorme Chance.
Wie schränkt dies diese Länder in ihren Anbaumöglichkeiten und den erzielbaren Erträgen ein?
In Afrika ist Phosphor der entscheidende limitierende Faktor, sogar in einigen der trockensten Gebiete der Sahara Afrikas. Leute, die bei barchenener arbeiteten, entdeckten, dass man einfach durch die Zugabe von Phosphor eine höhere Ausbeute erzielen konnte. Der trockene Boden verringert die Mobilität von Phosphor im Boden erheblich und wird zu einer erheblichen Einschränkung, wenn Sie einen trockenen Boden haben (Lambers H, Raven JA, Shaver GR, Smith SE. (2008) Pflanzennährstoffaufnahmestrategien ändern sich mit dem Alter des Bodens. Trends in Ökologie und Evolution 23: 95-103).
Warum also kaufen diese Gemeinden keinen Dünger, um ihren Ertrag zu steigern?
Dünger ist für diese Gruppen sehr teuer. Es muss weite Strecken bis zur Ernte zurücklegen, und diese Gruppen haben einfach nicht das Geld dafür. Stattdessen arbeiten wir an Pflanzen, die den vorhandenen Phosphor effizienter nutzen oder ihn besser aus dem Boden herausholen können. Dies ist jedoch ein riskantes Geschäft – wenn Sie Böden haben, die von Anfang an sehr nährstoffarm sind, werden Pflanzen, die ihn effektiver extrahieren, den Boden noch phosphorärmer machen. Was auch immer Sie dem Boden entnehmen, muss ersetzt werden, um nachhaltig zu sein.
Was macht Phosphate zugänglich?
Phosphate im Boden sind bei einem neutralen pH-Wert leicht verfügbar. Kalkhaltige Böden mit ihrem alkalischeren pH-Wert schließen Phosphate in Calciumkomplexen ein. Das Phosphat ist vorhanden, aber für die Pflanzen nicht leicht verfügbar. Auch saurere Böden binden Phosphate – diesmal jedoch nicht in Calciumkomplexen, sondern als Komplexe aus Oxiden und Hydroxiden von Eisen und Aluminium. Chile hat einen sehr sauren Boden mit einem pH-Wert von fast 4 und viele dieser Metalloxide und -hydroxide, sodass das gesamte Phosphat nicht ohne weiteres verfügbar ist. Die Pflanzen haben jedoch spezielle Anpassungen, die es ihnen ermöglichen, unter diesen Bedingungen darauf zuzugreifen.
Was sind das für Anpassungen?
Diese Pflanzen haben eine spezielle Struktur, die in Kombination mit der Pflanzenbiochemie wirkt. Was sie produzieren, sind riesige Mengen an Carboxylaten. Das sind Moleküle mit negativer Ladung – wie Phosphat. Diese tauschen sich aus und geben die Phosphationen in die Bodenlösung ab, während im Boden Carboxylatanionen an die Stelle von Phosphat treten. Sie bauen das Phosphat, das sich im Boden befindet, effektiv aus seinen engen Bindungen ab. Es ist dann in der Lösung und jeder kann es aufnehmen (Lambers H, Bishop JG, Hopper SD, Laliberté E, Zúñiga-Feest A. (2012) Phosphor-Mobilisierungs-Ökosystemtechnik: Die Rolle von Clusterwurzeln und Carboxylat-Exsudation in jungen P-limitierten Ökosystemen. Annals of Botany 110: 329-348).
Könnte dies entweder durch Züchtung oder genetische Veränderung in eine andere Kultur eingebracht werden?
Ich würde einen Schritt zurücktreten und fragen: "Welche Pflanzen haben wir jetzt und können das schon?" Weiße Lupine ist ein hervorragendes Beispiel und es gibt ein paar andere Lupinenarten, die genau dasselbe tun. Es gibt auch einige Lupinenarten, die diese wunderbaren Strukturen nicht haben, sondern etwas Ähnliches, und einige ohne überhaupt eine Struktur, die immer noch Carboxylate freisetzen. Wir haben also tatsächlich schon viele Arten, die diesen Trick bereits spielen können. Anstatt dies in Soybean zu entwickeln, ist es wichtig, ein gründliches Verständnis der Technologie zu erlangen. Das Verständnis ist und der Anbau in Nutzpflanzen mit dem Gen ist eine offensichtliche erste Stufe. Wir haben bereits Pflanzen mit dieser Fähigkeit bei Lupinen – die in diesem Stadium viel besser sind als Weizen und Gerste. Ich denke nicht, dass es unmöglich ist, aber es ist wichtig, einen Schritt nach dem anderen zu machen (Lambers H, Clements JC, Nelson MN. (2013) Wie eine auf Carboxylatausscheidung basierende Phosphoraufnahmestrategie den Erfolg und das agronomische Potenzial von Lupinen (Lupinus, Fabaceae) antreibt. Amerikanisches Journal für Botanik 100: 263-288).
Konzentrieren sich einige Teile der Welt also auf die falschen Pflanzen für ihren Bodentyp und ihr Klima?
Ja, absolut! In Chile wurde früher Andenlupine angebaut. Nach der spanischen Eroberung wurde den Einheimischen der Anbau dieser Lupinen verboten, da es sich nicht um spanische Nutzpflanzen handelte. Es war eine unsinnige Idee, die Einheimischen auf fremde Pflanzen umsteigen zu lassen, da sie bereits eine an ihre Umwelt angepasste Kulturpflanze hatten! Quinoa ist ein weiteres Beispiel für eine solche Kulturpflanze, deren Anbau die Spanier unterbanden. Sie hatten vermutlich bessere Nutzpflanzen als die eingeführten spanischen. Eine Möglichkeit ist jedoch der Mischanbau. Dabei werden verschiedene Pflanzen gleichzeitig und abwechselnd angebaut. Weizen beispielsweise gedeiht in manchen südamerikanischen Gebieten nicht besonders gut. Durch den Mischanbau mit Lupinen kann der Phosphor im Boden mobilisiert werden, wovon auch die Nachbarpflanzen profitieren. Auch Fruchtfolge ist eine Option. Eine Gruppe in Deutschland hat dies bereits erfolgreich praktiziert und Sojabohnen und Mais im Wechsel angebaut. Mais kann Phosphat nicht so gut aufnehmen, Sojabohnen hingegen – je nach Sorte – schon. Die guten Sojabohnensorten bieten einen echten Vorteil für die Folgekultur – einen Phosphorüberschuss. Sie können gleichzeitig oder in Fruchtfolge angebaut werden, um dieses Phosphat zu nutzen. Beide Anbaumethoden sind äußerst vorteilhaft.
Was hält Menschen in phosphorarmen Umgebungen davon ab, dies bereits zu tun?
Das ist eine interessante Frage. In China wird Mischkultur schon seit Jahrhunderten betrieben, und man kann zeigen, dass man mit den richtigen Mischkulturkombinationen 40–50 % höhere Erträge erzielen kann – das ist wirklich beeindruckend! Ein britischer oder irischer Landwirt wäre überglücklich über eine solche Ertragssteigerung! Die Chinesen haben das also schon praktiziert, und in Europa wird es erforscht. Ich bin sicher, dass es auch in anderen Teilen der Welt möglich wäre, aber es findet nicht im großen Stil statt, und das liegt an mangelndem Wissen. Es ist wichtig, die Landwirte vor Ort darüber aufzuklären, von Afrika bis Australien! Ich arbeite mit einer Gruppe in Deutschland zusammen, die unter der Leitung von Andreas Burgutts Sorghumhirse auf eine bessere Phosphatverfügbarkeit untersucht. Als Marker dient dabei der Mangangehalt der Blätter. Mangan wird von der Pflanze auf die gleiche Weise wie Phosphat aufgenommen und dient daher als Marker. Solche Arbeiten erfordern Reisen nach Afrika, um die richtige Sorte für die dortigen Bedingungen auszuwählen, nicht für unsere Versuchsfelder. Es geht darum, Forschung zu betreiben und diese Forschungsergebnisse dann den Landwirten zugänglich zu machen, anstatt sie im Elfenbeinturm der Wissenschaftler zu belassen. Es muss getan werden, und zwar über Fachzeitschriften hinaus, hin zu Orten, an denen wir etwas bewirken können.
Wer arbeitet noch daran, dieses Wissen in die Praxis zu tragen?
Ich hatte Besuch von jemandem aus ICRISAT. Sie haben ihren Sitz in Indien und arbeiten an großen Ernteentwürfen und Salzgehalten. Sie sind jetzt sehr daran interessiert, an Phosphor zu arbeiten, und sie hatten von meiner Arbeit gehört und waren daran interessiert, gemeinsam etwas zu entwickeln. Diese großen internationalen Institute haben Verbindungen zu den landwirtschaftlichen Basisgemeinschaften in den Teilen der Welt, in denen Sie wirklich etwas bewirken können. Ich bin vielleicht in der Lage, High-End-Wissenschaft zu betreiben, aber ohne die Verbindungen bin ich nicht in der Lage, einen großen Einfluss auf die reale Welt zu haben.
Wer ist sonst noch beteiligt?
Die großen internationalen Institute leisten gute Arbeit, IRRI in den Philippinen, ICARDA in Aleppo u ICRISAT in Hyderabad. Diese großen internationalen Institute interessieren sich nicht nur für die Wissenschaft, sondern auch für deren Anwendung, und das finde ich sehr wichtig.
Haben diese Anlagen Potenzial in anderen Schlüsselbereichen?
Ja, wenn Sie beispielsweise mit Schwermetallen kontaminierte Böden haben, können Sie diese im Prozess der Photosanierung verwenden. Hier werden Pflanzen wegen ihrer Fähigkeit, Schwermetalle zu entfernen, für einen „sauberen“ Boden verwendet. In Belgien gibt es Gebiete, die stark mit Zink oder Kupfer belastet sind. Eine chemische oder physikalische Reinigung dieser Verschmutzungen ist nahezu unmöglich. Sie brauchen eine Spezies, die diese Metalle in sehr hoher Konzentration anreichert, aber auch schnell wächst und viel Biomasse produziert, sonst dauert der Prozess lange. Darin liegt ein ernsthaftes Potenzial. Darüber hinaus können diese Pflanzen beim Phytomining oder der Prospektion verwendet werden, wobei kleine Mengen an Metallen angesammelt werden, die als Indikator für ein größeres Metallvorkommen in der Erde dienen. Dies kann ein ziemlich guter Indikator für Gold und einige andere Metalle sein, um es Gruppen zu ermöglichen, mit dem Abbau zu beginnen.
Hans' Buch „Plant Life on the Sandplains in Southwest Australia, a Global Biodiversity Hotspot“ erscheint im September und ist jetzt erhältlich online verfügbar auf der UWA Publishing-Website.
