Zürich – Nährstoffarme Böden und eine nahezu schwerelose Umgebung: Wie lassen sich auf dem Mond oder auf anderen Planeten trotzdem Kartoffeln anpflanzen? Indem man das Pflanzenhormon Strigolacton nutzt, zeigen Pflanzenbiologen der Universität Zürich auf. Dieses fördert die Symbiose zwischen Pilzen und feinen Wurzeln und unterstützt so das Pflanzenwachstum – selbst unter den erschwerten Bedingungen im All.
Nicht nur die NASA, auch Unternehmer wie Jeff Bezos oder Elon Musk spielen seit einiger Zeit mit dem Gedanken, dereinst Kolonien auf dem Mond oder auf anderen Planeten aufzubauen. Diese Visionen sowie zukünftige Langzeit-Missionen in der bemannten Raumfahrt werfen die Frage auf, wie sich Weltraum-Teams nachhaltig mit Lebensmitteln versorgen können. Ein möglicher Ansatz besteht darin, Ackerbau vor Ort zu betreiben. Allerdings sind die Böden auf dem Mond sowie auf anderen Planeten klar nährstoffärmer als das Ackerland bei uns. Die Alternative – nährstoffreiche Erde sowie Dünger in den Weltraum zu transportieren – ist ökologisch wie auch wirtschaftlich sehr fragwürdig.
Pilz-Pflanzen-Symbiose fördert das Pflanzenwachstum
Auf der Suche nach einem möglichen Ausweg konzentrierte sich eine Forschungsgruppe um Lorenzo Borghi von der Universität Zürich und Marcel Egli von der Hochschule Luzern auf die sogenannte Mykorrhiza, eine Symbiose zwischen Pilzen und feinen Pflanzenwurzeln. In dieser Lebensgemeinschaft versorgen Pilzfäden die Pflanzenwurzeln mit zusätzlichem Wasser, Stickstoff, Phosphaten sowie Spurenelementen aus dem Boden. Umgekehrt erhalten sie Zugang zu Zucker und Fetten, die von der Pflanze gebildet werden. Angeregt wird diese Symbiose durch Hormone der Strigolacton-Familie, welche die meisten Pflanzen rund um den Wurzelbereich in den Boden ausscheiden. Die Mykorrhizierung kann das Pflanzenwachstum massiv steigern und den Ernteertrag damit substanziell verbessern – speziell in nährstoffarmen Böden.
Schwerelosigkeit beeinträchtigt Mykorrhizierung
Im Weltall müssen Kulturpflanzen jedoch nicht bloss mit nährstoffarmen Böden, sondern auch mit Mikrogravität zurechtkommen, das heisst mit nahezu fehlender Schwerkraft. Um den Einfluss einer solchen Umgebung auf das Pflanzenwachstum zu untersuchen, haben die Wissenschaftler Petunien und Mykorrhiza-Pilze unter simulierter Schwerelosigkeit kultiviert. Petunien gelten als Modellorganismus für Nachtschattengewächse, zu denen zum Beispiel auch Tomaten, Kartoffeln und Auberginen gehören.
Die Experimente zeigten, dass Mikrogravität die Mykorrhizierung behindert und so die Nährstoffaufnahme der Petunien aus dem Boden reduziert. Das Pflanzenhormon Strigolacton wirkt diesem negativen Effekt allerdings entgegen. Pflanzen mit einer ausgeprägten Strigolacton-Ausschüttung und Pilze, welche die Forschenden mit einem künstlichen Strigolacton-Hormon behandelten, konnten in nährstoffarmen Böden trotz Mikrogravität gut gedeihen.
Best practice für Lebensmittelproduktion im Weltall
«Um Kulturpflanzen wie Tomaten und Kartoffeln trotz den schwierigen Bedingungen im Weltall zum Wachsen zu bringen, müssen wir die Mykorrhiza-Bildung fördern», fasst Forschungsleiter Lorenzo Borghi zusammen. «Über Strigolacton-Hormone scheint dies zu gelingen. Unsere Erkenntnisse liefern so einen vielversprechenden Ansatz, um mit Pflanzen, die wir auf der Erde kultivieren, auch ertragreichen Ackerbau im Weltraum zu betreiben.» (UZH/mc/ps)
Literatur:
Guowei Liu, Daniel Bollier, Christian Gübeli, Noemi Peter, Peter Arnold, Marcel Egli, Lorenzo Borghi. Simulated microgravity and the antagonistic influence of strigolactone on plant nutrient uptake in low nutrient conditions. Nature Microgravity. Oktober 17, 2018. DOI: 10.1038/s41526-018-0054-z