Welche Nährstoffe halten Sie für wichtig für eine Pflanze? Was brauchen Pflanzen, um erfolgreich zu sein, zu wachsen, Photosynthese zu betreiben, sich zu entwickeln und sich effektiv gegen Schädlinge und Krankheiten zu wehren? Die Mehrheit der Menschen, ob sie nun Pflanzen studieren oder nicht, wäre in der Lage, zumindest einige davon zu nennen: Stickstoff, Phosphor . . . vielleicht Kalium. Wahrscheinlich würden nur sehr wenige, wenn überhaupt, Silizium enthalten.

Es ist seit vielen Jahren bekannt, dass die Anwendung von Silizium das Pflanzenwachstum fördern kann. Es gibt eine lange Literatur zum Thema Silizium in der Landwirtschaft. Die Chinesen verwenden jährlich mehr als 30 Millionen Tonnen Siliziumdünger. Doch erst in den letzten Jahrzehnten hat sich unser Wissen über die Wirkung und Funktion von Silizium in Pflanzen wesentlich weiterentwickelt.

Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element in der Erdkruste. Das meiste Silizium im Boden liegt jedoch nicht in löslicher Form vor und ist daher für Pflanzen nicht verfügbar. Pflanzen nehmen Silizium über ihre Seitenwurzeln in Form von Monokieselsäure auf. Dieses wird dann durch die Pflanze transportiert, und wenn es bestimmte Konzentrationen erreicht, polymerisiert es auf natürliche Weise zu festem Siliziumdioxid (SiO2), das sich im Pflanzengewebe ablagert. Diese Ansammlung von Kieselsäure verleiht der Pflanze zahlreiche potenzielle Vorteile, hauptsächlich durch mechanische oder physikalische Mechanismen. Es bietet strukturelle Verstärkung, erhöht die Steifigkeit, erhöht die Zähigkeit und wirkt als physikalische Barriere gegen einige Krankheitserreger. Dies verringert auch die Verdaulichkeit von Pflanzenmaterial für Pflanzenfresser und kann die Mundwerkzeuge von Insekten fressen (Massey und Hartley 2009). Daher kann Silizium ein wichtiger Treiber für pflanzenökologische Wechselwirkungen sein.

Mittlerweile gibt es zahlreiche Studien, die belegen, wie Silizium die Pflanzenresistenz gegen Krankheiten und Herbivoren, aber auch gegen abiotische Belastungen wie Hitze, Trockenheit und Salzgehalt erhöht (Frewet al. 2018). Die überwiegende Mehrheit dieser Studien konzentriert sich auf eine Kulturpflanze und oft nur auf eine einzige Art, die typischerweise zur Familie der Poacea (Gräser) gehört. Arten innerhalb dieser Familie sind im Großen und Ganzen Pflanzen mit hoher Siliziumakkumulation, die aktiv Silizium in und um ihr Gewebe herum transportieren. Dennoch gibt es eine wachsende Menge an Literatur, die die vorteilhaften Wirkungen von Silizium bei Arten zeigt, die keine hohen Akkumulatoren sind. In der Tat kommt Silizium Pflanzen nicht nur durch die Ablagerung von Kieselerde zugute, sondern es wurde auch gezeigt, dass es die konstitutiven und induzierten biochemischen Abwehrkräfte der Pflanze verbessert, die photosynthetische Effizienz erhöht und den Antioxidationsstoffwechsel hochreguliert.

Diese Daten deuten stark darauf hin, dass Silizium mehr bewirkt, als nur die physische Stärke und Zähigkeit der Pflanze zu steigern. Vielmehr kann Silizium eine Rolle im pflanzlichen Primärstoffwechsel, im Wachstum und in der Entwicklung spielen (Frewet al. 2018). Silizium gilt derzeit als nicht essentiell für das Pflanzenwachstum, wird jedoch als nützlicher Nährstoff angesehen. Dennoch zeigt es außergewöhnliche Wirkungen auf Pflanzen (einige wurden oben erwähnt), die von keinem anderen nicht-essentiellen Nährstoff übertroffen werden. Es gibt auch zunehmend Hinweise darauf, dass Silizium in Pflanzen für einige Pflanzenfunktionen Kohlenstoff ersetzen kann (Cooke und Leishmann 2012). Tatsächlich wurden potenzielle Kompromisse innerhalb von Pflanzen zwischen Silizium und anderen Abwehrkräften nachgewiesen (Frew et al. 2016; Johnson und Hartley 2017).

Während sich unser Wissen über Silizium entwickelt, wird deutlich, dass es Lücken in unserem Verständnis der Rolle von Silizium in der Pflanzenbiologie gibt. Trotz der wachsenden Menge an Literatur über die vielfältigen Wirkungen von Silizium wurde bisher nur wenig über die zugrunde liegenden Mechanismen geforscht, durch die Silizium wirkt, um das Pflanzenwachstum und die Stressresistenz zu verbessern.

Die positiven Auswirkungen von Silizium bergen ein enormes Potenzial, das in der Pflanzenproduktion genutzt werden kann. Die globale Landwirtschaft steht unter zunehmendem Druck, den Nahrungsbedarf einer wachsenden Bevölkerung zu decken. Dies muss nachhaltig erfolgen und gleichzeitig den Gewinn sichern. Derzeit verfügbare Pestizide und Düngemittel sind ökologisch nicht nachhaltig, teuer und unterliegen zunehmenden Beschränkungen (die EU hat kürzlich zugestimmt, die Verwendung von Neonicotinoiden, den weltweit am häufigsten verwendeten Insektiziden, zu verbieten). Die Verbesserung unseres Verständnisses der Biologie und Ökologie von Silizium in Pflanzen könnte zu erheblichen Fortschritten in unserer Fähigkeit führen, die Herausforderung einer ökologisch und ökonomisch nachhaltigen Lebensmittelproduktion zu meistern.