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Vom Stickstoff zu Aminosäuren: Wie helfen Mikroorganismen Pflanzen bei der Aufnahme von Stickstoff?
In der Natur ist Stickstoff ein lebenswichtiges Element, das für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen unverzichtbar ist. Allerdings können Pflanzen Stickstoff in Form von Stickstoffgas (N2) nicht direkt verwerten. Mikroorganismen kommt damit eine Schlüsselrolle bei der Aufnahme und Nutzung von Stickstoff zu. Mikroorganismen nutzen einen Prozess namens Stickstofffixierung, um Stickstoff in für Pflanzen aufnehmbare Formen wie Ammoniak (NH4+) und Nitrat (NO3−) umzuwandeln. Dieser Prozess verbessert nicht nur die Pflanzengesundheit, sondern erhöht auch die Nachhaltigkeit der Landwirtschaft.
Die Stickstoffaufnahme ist für das Pflanzenwachstum unerlässlich und Mikroorganismen unterstützen diesen Prozess.
Stickstoffumwandlungsprozess
Pflanzen nehmen Stickstoff in Form von Nitraten und Ammoniak hauptsächlich über ihr Wurzelsystem aus dem Boden auf. In gesunden Böden ist Nitrat normalerweise die vorherrschende Form von verfügbarem Stickstoff, während in Grasland und überfluteten anaeroben Böden wie Reisfeldern Ammoniak vorherrschen kann.
Pflanzenwurzeln beeinflussen den Gehalt verschiedener Stickstoffformen, indem sie den pH-Wert des Bodens verändern und organische Verbindungen oder Sauerstoff absondern, wodurch sie die Aktivität von Mikroorganismen fördern und die Umwandlung verschiedener Stickstoffsubstanzen unterstützen. Ammoniumionen in den Pflanzenwurzeln gelangen über Ammoniak-Transportproteine in die Pflanze, während Nitrate von einer Vielzahl von Nitrat-Transportproteinen absorbiert werden.
Wie Pflanzen Stickstoff verarbeiten
Stickstoff wird hauptsächlich durch das Xylem transportiert, wo er in Form von Nitraten, gelöstem Ammoniak und Aminosäuren an andere Teile der Pflanze abgegeben wird. In den meisten Fällen findet der Nitratabbau vor allem in den Blättern der Pflanzen statt, während die Wurzeln nur eine geringe Menge Nitrat zur Reduzierung aufnehmen. Unabhängig vom Absorptions- oder Syntheseprozess wird Ammoniak letztendlich über den Glutamatsynthetase-Glutamatsynthetase-Weg (GS-GOGAT) in Aminosäuren eingebaut.
Der Transport und die Umwandlung von Stickstoff ist nicht nur für das Pflanzenwachstum von entscheidender Bedeutung, sondern beeinflusst auch die Gesundheit des gesamten Ökosystems.
pH-Wert und Ionenhaushalt
Wenn Nitrat zu Ammoniak reduziert wird, muss die Pflanze den pH-Wert ihrer Umgebung im Gleichgewicht halten, was oft bedeutet, dass sie OH− -Ionen ausgibt oder diese mit organischen Säuren neutralisiert. Dadurch wird der Boden um die Pflanzen herum, die Nitrate aufnehmen, alkalisch. Um das Ionengleichgewicht aufrechtzuerhalten, müssen Pflanzen NO3− aufnehmen, was mit der Aufnahme oder Ausscheidung von negativ geladenen Anionen mit positiv geladenen Kationen einhergeht. Beispielsweise absorbieren Pflanzen wie Tomaten Metallionen wie Kalium (K+), Natrium (Na+), Kalzium (Ca2+) und Magnesium (Mg2+), um die Nitrataufnahme auszugleichen.
Stickstoffnutzungseffizienz
Die Stickstoffnutzungseffizienz (NUE) ist der Anteil an Stickstoff, den Pflanzen aufnehmen und nutzen können. Die Verbesserung der Stickstoff- und Düngeeffizienz ist für eine nachhaltige landwirtschaftliche Entwicklung von entscheidender Bedeutung. Sie verringert die Umweltverschmutzung (wie etwa durch Düngemittelabschwemmung) und die Produktionskosten und steigert gleichzeitig die Erträge. Die NUE von Nutzpflanzen liegt weltweit im Allgemeinen unter 50 %, was Wissenschaftler dazu veranlasst, nach Wegen zu suchen, die Stickstoffeffizienz durch verbesserte Düngemittel, verbessertes Pflanzenmanagement, selektive Züchtung und Gentechnik zu verbessern.
Die Verbesserung der Stickstoff- und Düngemitteleffizienz ist eine große Herausforderung für eine nachhaltige Landwirtschaft.
Können wir durch das Verständnis der wichtigen Rolle von Mikroorganismen bei der Stickstoffaufnahme von Pflanzen und den damit verbundenen physiologischen Prozessen innovativere Wege zur Verbesserung der landwirtschaftlichen Produktion und Nachhaltigkeit finden?
