Trockenstress vermindert Stickstofffixierung in Leguminosen.
Trockenheit führt bei allen Kulturpflanzen zu dramatischen Ertragseinbußen. Besonders Leguminosen reagieren auf Wassermangel extrem empfindlich, was zu einer verminderten Stickstofffixierung ihrer Symbiosepartner, den Rhizobien, führt. Wissenschaftler gehen davon aus, dass Trockenstress in den Wurzelknöllchen über die Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies eine Überproduktion von reaktiven Carbonylverbindungen auslöst. Zu diesen Verbindungen zählen zahlreiche Vertreter gesättigter und ungesättigter Aldehyde, Ketone und Oxocarbonsäuren, die mit großer Reaktionsfreude Proteine und Nukleinsäuren angreifen.
IPB-Wissenschaftler/innen haben erstmals das Carbonyl-Metabolom von Wurzelknöllchen der Erbse untersucht und erste Zusammenhänge zwischen Carbonylstoffwechsel und trockenheitsbedingten Einbußen in der Stickstofffixierung nachgewiesen. Dabei konnten sie zeigen, dass die Carbonylproduktion unter Wassermangel einer ausgeprägten Dynamik unterliegt, die zur Herauf- und Herunterregulierung von bestimmten Carbonylverbindungen und im Endeffekt zu einer Blockierung der Porphyrin-Biosynthese führt. Porphyrin bildet als Komplexverbindung mit einem Eisenatom den wichtigsten Bestandteil des Leghämoglobins, welches von der Pflanze produziert wird, um überschüssigen Sauerstoff innerhalb der Knöllchen abzupuffern. Es schützt die von den Bakterien stammende und extrem sauerstoffempfindliche Nitrogenase vor Aktivitätsverlust. Durch die fehlende Porphyrinproduktion unter Trockenstress wird dieser Schutz der Nitrogenase beeinträchtig und das Enzym verliert dauerhaft seine katalytische Befähigung zur Reduktion von molekularem Stickstoff zu Ammoniak.
Die Nitrogenase-katalysierte Spaltung der Dreifachbindung im N2-Molekül ist sehr energieaufwendig. Zur Umwandlung eines einzigen Stickstoffmoleküls werden 16 ATP- und vier NADH-Moleküle benötigt. Die Deckung dieses Energiebedarfs erfolgt durch die Pflanze, die dafür einige Zwischenprodukte aus dem Zitratzyklus, wie Succinat und Malat in die Wurzelknöllchen transportiert. Diese Verbindungen werden dann von den Rhizobien genutzt, um die benötigten Energieäquivalente für die Stickstofffixierung herzustellen. Unter Trockenstress, mutmaßen die Wissenschaftler, könnte dieser pflanzliche Kohlenstofffluss zur Unterstützung der Symbiose unterbrochen werden, um erst mal das eigene Überleben zu sichern. Zur Simulation des Wassermangels wurden die Pflanzen im Experiment mit Polyethylenglykol behandelt und damit in osmotischen Stress versetzt. Eine Bestätigung der Ergebnisse mit Mutterboden steht noch aus.
