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Neues vom Acker – was alles in der Wurzel steckt

von Thomas Weninger

Ich bin Bodenforscher an der Universität für Bodenkultur in Wien. Interessiert an allem was mit Boden, Pflanzenwachstum und Landwirtschaft zu tun hat.

Pflanzen sind die Grundlage unserer Ernährung. Viel Forschungsaufwand wird betrieben, um einerseits die Erträge der Landwirtschaft zu erhöhen, andererseits müssen aber auch die Folgen der intensiven Landwirtschaft für die Umwelt bedacht werden. Ineffizienten Düngereinsatz, den Verlust von Bodenfruchtbarkeit und ausufernden Schädlingsbefall werden wir uns in Zukunft nicht mehr leisten können. Die Wurzeln der Nutzpflanzen bekommen oft wenig Aufmerksamkeit. Aus Ihrer Erforschung verspricht man sich nun große Fortschritte für eine effizientere Landwirtschaft. Dazu werden interessante High-Tech-Methoden eingesetzt, viele Pflanzen analysiert und sehr komplexe Prozesse beobachtet. Im folgenden Beitrag bekommt Ihr einen Einblick in brennende Fragen der Wurzelforschung, deren Bedeutung und die Methoden, die eingesetzt werden.
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Normalerweise geht es in Florians Blog ja um die dunklen, unendlichen Weiten über unseren Köpfen. In meinem Beitrag möchte ich Eure Aufmerksamkeit in die andere Richtung lenken, nämlich auf die dunklen, leider allzu endlichen Welten im Boden. Damit meine ich nicht die Mikrokosmen unter dem guten Parkett, sondern den Boden in unserer Umgebung, das braune Zeugs wo Pflanzen drauf wachsen. Dort laufen Vorgänge ab, die für unseren Alltag sehr relevant sind, zum Beispiel wächst daraus der Großteil unserer Nahrung, versickert Regenwasser und wird gereinigt oder es wird tote organische Substanz (also Blätter, Äste, aber auch tote Tiere oder Bioabfall) in fruchtbare Erde umgewandelt. Und das alles und noch viel mehr passiert gleichzeitig. Ich werde hier aber nur über einen bestimmten Teil schreiben, nämlich die Wurzeln von Kulturpflanzen und ein bisschen von der Forschung zu diesen erzählen.

Entwicklung des Wurzelsystems einer Zuckerrübenpflanze, DAS heißt day after seeding, CC BY-NC-ND 3.0, in jove.com.

Entwicklung des Wurzelsystems einer Zuckerrübenpflanze, DAS heißt day after seeding, CC BY-NC-ND 3.0, in jove.com.

Die Wurzeln haben die Aufgabe, Wasser und Nährstoffe im Boden zu finden und aufzunehmen, sowie der Pflanze Halt zu geben, sie zu verankern. Mittlerweile weiß man auch, dass Wurzeln andere Bodenlebewesen wie Bakterien oder Pilze mit zuckersüßen Leckereien anfüttern. Das machen sie weil diese ihnen das Leben erleichtern können, indem sie schwer verfügbare Nährstoffe aufschließen und Schädlinge abwehren. Außerdem hat man unlängst nachweisen können, dass verschiedene Pflanzen über das Wurzelnetzwerk im Boden miteinander kommunizieren und einander Botschaften schicken können. Es dürfte meist ums Wetter, um Verteidigungsstrategien oder um Fortpflanzung gehen, also ganz ähnlich wie bei uns. Darüber werde ich vielleicht nächstes Jahr einen Beitrag schreiben, oder wenn ich mich endlich überwunden habe, einen eigenen Blog zu beginnen. Für heute bleibe ich bei einem Forschungsbereich, der sich mit angewandten landwirtschaftlichen Fragestellungen beschäftigt. Grob gesagt ist die Wurzel nämlich der Teil im System unserer Nahrungsproduktion, der noch am meisten Potenzial für Verbesserungen bietet. Dabei geht es weniger um den reinen Ertrag als um Stabilität gegenüber Schädlingen, weniger Bedarf an Dünger oder das Erhalten der Bodenfruchtbarkeit. Es gibt auch einen schönen Fachbegriff zum heutigen Thema, das ist die Phänotypisierung von Pflanzen und deren Wurzelsystemen. Um diesem wenig ästhetischen Begriff den Schrecken zu nehmen, muss ich nun kurz ausholen.

Nutzpflanzen (also Getreide, Gemüse, Obstbäume, …) werden seit Jahrhunderten genetisch verändert, um einen bestimmten Zweck besser zu erfüllen. Bis jetzt geschah das durch Züchtung, die Zukunft ist da gerade recht offen. Es wird dadurch das Genom, also die Gesamtheit der Gene, verändert. Das ist im Wesentlichen der Grundstock an gespeicherter Information, die die Pflanze im Laufe ihrer Entwicklung abrufen kann. Konkret wird aber nur wenig davon wirklich abgerufen, so ähnlich wie wir je nach Bedarf nur bestimmte Funktionen eines Betriebssystems am Computer nutzen. Bei den Pflanzen geschieht das als Reaktion auf Einflüsse von außen, wie Temperatur, Kontakt mit Nachbarpflanzen oder Nährstoffverfügbarkeit. Diese Fähigkeit der Pflanze, sich an ihre Umwelt anzupassen, führt zur Ausbildung verschiedener Phänotypen. Der Fachausdruck kann auch als Erscheinungsbild übersetzt werden. Ein einfaches Experiment zum Verdeutlichen des Begriffs kann jeder selbst ausprobieren: Schneide von einer Pflanze, die sich gut durch Ableger oder Stecklinge vermehren lässt ein paar Stücke ab, fülle Töpfe mit Erde, gieße und stell die Töpfe an Plätze mit verschiedenen Wuchsbedingungen (Balkon, Badezimmer, Berggipfel, Kühlschrank, …). Die Pflanzen sind genetisch identisch, werden aber unterschiedlich aussehen, also unterschiedlichen Phänotypen entsprechen.

Bild: Homorhizal_root_system.GIF

3-D Bild eines Wurzelsystems, by Scivit - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=37991082

3-D Bild eines Wurzelsystems, by Scivit – Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=37991082

Und genau darum geht es auch bei der Forschung. Man möchte Pflanzen auf den Äckern anbauen, die auch bei Trockenheit noch gedeihen, die Nährstoffe gut erreichen und aufnehmen können, die wenig anfällig für Schädlingsbefall sind und nebenbei auch noch guten Ertrag bringen. Immer neue Sorten werden von Saatgutbetrieben gezüchtet, die all das versprechen. Mittlerweile sind in der EU allein beim Weizen etliche hundert verschiedene Sorten zum Anbau und Verkauf zugelassen. Wenn man das Genom der Pflanze analysiert, kann man prinzipiell schon gut beurteilen, ob eine bestimmte Eigenschaft vorhanden ist. Ob sie dann aber auch auf dem Acker die richtigen Infos abruft und so stabil und ertragreich wächst, wie sie sollte, kann man aus dem Genom nicht ablesen. Das muss man nach wie vor ausprobieren. Die Saatgutzüchter legen also große Versuchsflächen in klimatisch unterschiedlichen Gebieten an, wo verschiedene Sorten angebaut und penibel vermessen werden. Nach langwieriger Arbeit hat man dann einigermaßen gute Informationen darüber, wie die getestete Sorte wachsen wird. Das gilt jedoch hauptsächlich für den oberirdischen Teil. Wie ich schon erwähnt habe, ist die Wurzel mindestens genauso wichtig. Sie spielt eine große Rolle wenn man bedenkt, dass die Wasserversorgung in der Landwirtschaft hierzulande unsicherer werden wird (siehe 2018) und man sich langsam Gedanken machen sollte, wie die Nahrungsmittelversorgung mit weniger Einsatz von Ressourcen (in dem Fall Düngung) gesichert werden kann. Auch die hohe Nitratbelastung des Grundwassers in Deutschland, die ja unlängst wieder in der Diskussion stand, könnte verringert werden, wenn die Wurzeln den gesamten Dünger aufnehmen würden.

Aber jetzt zurück zum Thema, der Phänotypisierung. Sowie beim Spross, also dem oberirdischen Teil der Pflanze, gibt es auch bei der Wurzel große Unterschiede zwischen den Phänotypen verschiedener Sorten. Diese können sich durchaus im Bereich von etlichen Dezimetern bewegen, allein bei der Verbreitung im Boden. Bei der Vermessung stehen wir nun vor dem Problem, dass eine Wurzel entweder die Unsichtbarkeit im dunklen, feuchten Boden genießt, oder recht schnell abstirbt, wenn sie an die Sonne gerät. Für die Forscherin, die eine lebende Wurzel analysieren und verstehen will, ist das natürlich ein Dilemma. Schlaue Methoden sind gefragt. Sie werden auch laufend entwickelt und was es da zu sehen gibt, erfreut das Herz des Technikbegeisterten. Es wurden zum Beispiel Magnetresonanzscanner oder Computertomographen, wie man sie aus der Medizin kennt, adaptiert, mit denen man ein 3D-Modell des Wurzelsystems in einem großen Versuchstopf erzeugen kann. Wie das aussieht zeigen Leute der Universität Nottingham (in British English):

Mehr Leistung verspricht ein Robotersystem, das selbständig eine Reihe von Versuchspflanzen vermisst. Diese sind in sogenannten Rhizoboxen gesät worden. Das sind wenige Zentimeter dicke, mit Erde gefüllte und mit einer Plexiglaswand versehene Kästchen etwa in der Größe eines halben Fensterflügels. Sie stehen so schräg in ihrer Halterung, dass die Wurzel an der Glasscheibe entlangwächst und dadurch von außen sichtbar ist. Der Roboter scannt die Oberfläche mit einer Multispektral-Kamera und liefert gleich ein zweidimensionales Bild vom Wurzelsystem. Durch die Automatisierung und wiederholte Messungen kann das Wachstum der Wurzelspitzen genau verfolgt werden. Diese Geräte sind am FZ Jülich im Einsatz, auf deren Webauftritt gibt’s auch etliche Bilder, die ich hier nicht reinstellen darf.

In Tulln (Österreich), an einem Außenstandort der Universtät für Bodenkultur Wien, wird ebenfalls mit High-Tech in der Wurzelphänotypisierung gearbeitet. Ein Forscherteam setzt hier Hyperspektralkameras ein, mit denen die Wurzeln in Rhizoboxen beobachtet werden. Diese Kameras nehmen Bilder in gut 200 Spektral-Kanälen auf, die mit Bildanalysealgorithmen ausgewertet werden. Aus den Aufnahmen soll es möglich sein, neben der Ausbreitung auch bestimmte Stoffwechsel- oder sonstige chemische Reaktionen und deren Raten zu berechnen. Dazu gibt es auch ein nettes Video:

In der Zukunft soll das dann auch im Freien funktionieren. Es wird zum Beispiel an tragbaren MR-Geräten gearbeitet, die Pflanze und Wurzel auf dem Feld scannen können. Auch die Auswertung von Bilddaten wie den genannten Hyperspektralaufnahmen wird noch deutlich verbessert werden. Hier verspricht man sich großen Fortschritt wenn es mal möglich ist, den Stoffaustausch an der Wurzeloberfläche chemisch zu erfassen. Es werden von der Wurzel diverse Botenstoffe und zuckerhaltige Lösungen abgegeben, deren Rolle in den Lebensgemeinschaften im Boden unglaublich wichtig sein dürfte, aber noch nicht zufriedenstellend erforscht ist. In diesem Zusammenhang beschäftigt man sich auch zunehmend mit dem Zusammenspiel mehrerer verschiedener Pflanzenarten auf einem Acker. Dass sich einige Arten gegenseitig fördern und andere wiederum gar nicht vertragen, weiß man schon länger. In der ertragsorientierten Landwirtschaft wird das aber kaum genutzt, es dominieren die Monokulturen. Wenn nun Sorten bzw. Phänotypen von Pflanzen oder Pflanzengemeinschaften gefunden werden, die ganz allgemein gesagt effizientere Wurzelsysteme ausbilden, könnten wirtschaftliche und Umweltprobleme wie überhöhte Düngerausbringung und in Folge dessen Grundwasserverschmutzung deutlich reduziert werden. Und das auch ganz ohne unerwünschte Technologien wie künstlicher genetischer Modifikation. Auch Professor Ulrich Schurr, der das deutsche Phänotypisierungsnetzwerk leitet, sieht großes Potenzial und erläutert das in einem sehr anschaulichen Interview.

Damit hoffe ich, Euer Interesse für die unterirdische Welt ein bisschen geweckt zu haben. Man muss auch gar kein Wissenschaftler sein, um ein bisschen Forschung zu betreiben und vielleicht Neues zu entdecken. Grabt einfach ein bisschen herum, schaut Euch an, wie eine Wurzel verläuft, was passiert, wenn sich zwei Wurzeln treffen, welche Lebewesen dabei zum Vorschein kommen, oder macht ein paar Pflanzversuche. Im Internet gibt’s auch noch genügend weiterführende Informationen, Suchbegriffe für den Anfang wären: Pflanzenforschung, Boden-Experimente, und so weiter.

Kommentare (19)

  1. #1 Thomas N.
    25. Oktober 2018

    Danke für den interessanten Artikel. Was ich mich beim Lesen die ganze Zeit gefragt habe: Hast du eigentlich einen Garten, und kannst du dein Fachwissen dort praktisch anwenden?

  2. #2 Thomas W.
    Wien
    25. Oktober 2018

    Jein, prinzipiell gibt es viele Versuchsflächen, von Universitäten (auch meiner), Schulen, Kammern, NGOs,… wo allerhand ausprobiert werden kann. Da werden oft auch recht umfangreiche Daten veröffentlicht, such einfach mal für Deine Gegend. Wurzeln sind aber leider ein unterrepräsentiertes Thema, weil die Forschung da einfach in vieler Hinsicht aufwändig ist. Ich kann aber allerwärmstens empfehlen, mal einen Blick in einen sog. Wurzelatlas zu werfen (7 Bände, von Lore Kutschera und anderen, die haben tausende Pflanzenwurzeln Stück für Stück ausgegraben, vermessen und illustriert), beeindruckende Monumentalwerke!

    Persönlich bringe ich mich im Verwandten- und Freundeskreis gerne ein, eher mit Tat als mit Rat. Da für das erfolgreiche Anwenden noch ein bisschen mehr notwendig ist als wissenschaftliche Redlichkeit und Begeisterung, vor allem Zeit und Muße, bleibt es oft auch dabei, dass das Fachwissen erweitert wird – im Sinne von: “Aha, wieder was gelernt…”

  3. #3 Tim
    25. Oktober 2018

    Interessanter Artikel, merci! Man kann heute nicht genug über Agrarwissenschaft schreiben.

  4. #4 Alisier
    25. Oktober 2018

    Vielen Dank für den spannenden Artikel!
    Thomas, wann glaubst Du, dass Mykorrhizapilze gezielt für den Acker genutzt werden können? So als grobe Schätzung….
    Ich frage auch deshalb, weil z:b. in diesem Jahr in Norddeutschland sämtliche gepflanzte Eichen ohne gut entwickelten Pilzpartner vertrocknet sind, wobei in der Natur gekeimte Sämlinge wegen des fast immer vorhandenen Mykorrhizapartners kaum Schäden zeigen.

  5. #5 Mars
    25. Oktober 2018

    ja, gutgeschrieben, gutes thema
    den blick unter den boden zu wagen, schadet heute nicht. da gibt es doch einige ansätze, wie pflanzen sogar über den wurzelbereich ‘kommunizieren’ können

    ein weiterer ansatz, den ich vor kurzem mitbekommen hab, ist das impfen von saatgut mit passenden pilzsporen, die der pflanze später im (auch bereits durch zuviel chemie und verdichtung geschädigten) boden eine gute start- und nährstoffhilfe gibt, und der landwirt sogar weniger dünger zugeben muss.

    ja, da gibt es sicher viele spannende ansätze – freuen wir uns auf neue beiträge dazu

  6. #6 Thomas W.
    25. Oktober 2018

    @ Alisier: Mars hat die Antwort schon gegeben – wird durchaus schon ausprobiert. Dazu zB auch: http://www.agrarheute.com/pflanze/mais/mykorrhiza-bringen-bodenhilfsstoffe-534163
    Prinzipiell muss sich aber ein Pilz, der mit dem Samen eingebracht wird auch erst räumlich entfalten, um die Pflanze unterstützen zu können. Hilfreicher wäre, wenn schon eine etablierte, diverse Lebensgemeinschaft im Boden bestünde. Dort könnte die Pflanze dann theoretisch andocken und schneller Nutzen ziehen. Kleinräumige Strukturen, schonende Bodenbearbeitung und möglichst kein Einsatz von Bioziden wären dafür unterstützend.

  7. #7 Alisier
    25. Oktober 2018

    @ Thomas W.
    Da sind wir uns sicher einig. Auch was schonende Bodenbearbeitung und Biozidvermeidung betrifft.
    Ich frage mich wie lange es wohl dauern wird, bis die Erkenntnisse zu Handlungen führen. Denn die Landwirtschaft ist größtenteils so sehr klassisch industriell ausgerichtet, dass ein konsequentes Umsteuern wohl eher eine Frage von Jahrzehnten sein dürfte.
    Was wir uns eigentlich angesichts von zunehmender Bodenverdichtung und Extremwetterlagen nicht leisten können. Ein bisschen schneller müsste es schon gehen.
    Die Landwirtschaft gleicht hier einem Flugzeugträger, der zwar eine Kursänderung machen müsste, aber viel zu träge ist.

  8. #8 rolak
    25. Oktober 2018

    In der ertragsorientierten Landwirtschaft..

    Die (für mich) einzige Störstelle in einem schönen Text – gemeint war sicherlich Vollerwerbs-Großflächen-Monokultur-Landschaft, was allerdings den Satz sinnleer gemacht hätte. Selbstverständlich ist dieser Zweig der Landwirtschaft (wie zB ReisAnbau) auch ertragsorientiert, deutlich mehr jedoch an der Reduzierung des Aufwandes für Pflege und Ernte interessiert.

    Ebenso selbstverständlich ist aber auch Mischkultur in der Landwirtschaft (wie zB Milpa) ertragsorientiert, und zwar an erster Stelle, evtl gemeinsam auf Platz 1 mit der Nachhaltigkeit. Fängt ja schon bei Haus- und Schrebergarten an…

    (Hauptbeispiele absichtlich ‘fern von hier’ und ‘schon urlange’)

  9. #9 Thomas W.
    25. Oktober 2018

    @rolak: Danke für den Einwand! Ja, vollkommen richtig interpretiert. In dem Satz ging es im Wesentlichen darum, dass oft maximale Erträge (in t/ha oÄ) mit einem unverhältnismäßig hohem Mehr an Input (Energie, Düngung,..) erreicht werden sollen, dabei die Ressource Boden ausgezehrt wird.

    @Alisier: Es gibt durchaus viele innovative, inspirierte und inspirierende Landwirte, Forscher, Kommunikatoren, die da ihr Möglichstes tun, um den Flugzeugträger zu wenden.

  10. #10 Thomas W.
    25. Oktober 2018

    und vor allem Landwirtinnen, Forscherinnen und Kommunikatorinnen!!! In der Praxis natürlich noch wichtiger.

  11. #11 NullcoManix
    25. Oktober 2018

    @Thomas W. und andere Autoren

    Vielleicht ein bissel off topic, aber dem Anlass geschuldet: Warum eigentlich nicht einfach “Landwirte (m/w), Forscher (m/w), Kommunikatoren (m/w)”, so wie wir es aus Stellenanzeigen kennen?

    Mit einem Tastenmakro in der Textverarbeitung schreibt sich das ausgesprochen flott …

  12. #12 Captain E.
    26. Oktober 2018

    Tja, die moderne Landwirtschaft arbeitet natürlich mit agrarwissenschaftlichen Modellen, und zuweilen fragt man sich, ob die “Eierköpfe” in ihren “Elfenbeintürmen” auch hinreichend darüber nachdenken, ob ihre Modelle auch tatsächlich Sinn machen. Was macht das für einen Sinn, Hecken zu roden und Blumen vom Ackerrain zu entfernen und die gewonnene Fläche zu beackern, wenn man dafür die bestäubenden Insekten reduziert und die Erosion fördert (bis hin zu gelegentlichen Sandstürmen)? Beides haben Bauern ja gemacht für eine vermeintliche Ertragssteigerung, oder?

  13. #13 häh?
    26. Oktober 2018

    @ Thomas W.

    Schöner, interessanter und informativer Artikel. Nur in einem möchte ich widersprechen: der Düngerreduzierung. Ein Großteil der (Gülle-)Düngung wird nicht mehr gemacht um zu düngen, sondern als bezahlte Gülleentsorgung. Die Bauern wissen, dass sie überdüngen, aber es ist ihnen egal, gibt Geld bzw mehr Vieh zugelassen. Und das Grundwasser ist ihnen halt egal.

    @ Captain E.

    Und das ist der Übergang zum Blumen /Hecken durch Feld ersetzen: Es gibt kurz- und mittelfristig mehr eigenen Gewinn, die Verluste sind für die Allgemeinheit (auch einen selber, aber da sind die eigenen Zugewinne größer, mindestens veranschlagt).

  14. #14 Captain E.
    26. Oktober 2018

    @häh?

    Ob das mit dem eigenen Vorteil so stimmt, sei einmal dahingestellt. Nur angesichts der Tatsache, dass die moderne Landwirtschaft ohne öffentliche Förderung sowieso nicht mehr auskommt, muss die volkswirtschaftliche Bilanz sehr genau betrachtet werden.

  15. #15 Dampier
    26. Oktober 2018

    Danke für den interessanten Artikel!

  16. #16 LasurCyan
    26. Oktober 2018

    wie zB Milpa

    Nie gehört, klingt verlockend & sinnvoll. Danke für den Tipp, rolak, das wird getestet^^

    Und: Schöner Artikel, vielen Dank (m/w)!

  17. #17 Thomas W.
    26. Oktober 2018

    Zwischendurch mal herzlichen Dank für die vielen Komplimente und die Kommentare 😉 Freut mich

  18. #18 Aginor
    30. Oktober 2018

    Mit recht viel Tiefgang geschrieben, danke für den Artikel!

    Gruß
    Aginor

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