HHO5-Protein: Wie Pflanzen die Stickstoffaufnahme aus Dünger stoppen

Landwirte verlieren bei jeder ausgebrachten Düngergabe im Schnitt etwa die Hälfte. Ein Teil wird in Flüsse ausgewaschen, ein Teil entweicht in die Luft, und ein weiterer Anteil verbleibt im Boden – mit steigenden Kosten und zusätzlicher Umweltbelastung als Folge.

Forschende haben nun ein Pflanzenprotein identifiziert, das Kulturpflanzen signalisiert, die Stickstoffaufnahme zu drosseln – selbst dann, wenn im Boden noch reichlich Stickstoff vorhanden ist.

Wird dieses Protein entfernt, nimmt eine Labor-Modellpflanze fast dreimal so viel Stickstoff auf. Damit rückt die Perspektive näher, Pflanzen zu entwickeln, die Dünger deutlich effizienter nutzen.

Düngerverluste sind ein globales Problem

Seit Jahrzehnten steigert Stickstoffdünger die Erträge. Trotzdem nehmen Pflanzen nur rund 50% des Stickstoffs auf, den Landwirte auf die Felder bringen. Ein grosser Teil des Rests gelangt durch Auswaschung in die Wasserversorgung, schadet dort Wasserlebewesen und kann weit flussabwärts schädliche Algenblüten fördern.

Auch der im Boden verbleibende Stickstoff hat Folgen: Er begünstigt die Bildung von Lachgas (Distickstoffmonoxid). Über einen Zeitraum von 100 Jahren betrachtet bindet dieses Gas Wärme 273-mal effektiver als Kohlendioxid.

Neben Umweltfragen kommt der Preis hinzu. Herstellung und Transport von Dünger sind kostspielig und geopolitisch anfällig; zudem macht eine instabile Stickstoffkomponente die Lagerung riskant.

Geleitet wurde die Studie von Gloria Coruzzi, Carroll-und-Milton-Petrie-Professorin am Biologie-Department der NYU. Gemeinsam mit Mariana Obertello vom INGEBI in Buenos Aires führte sie die Arbeiten durch.

„Improving the efficiency of fertilizer usage would have important environmental, economic, and geopolitical impacts,“ sagt Coruzzi.

Woran merken Pflanzen, dass sie „satt“ sind?

Das Team suchte gezielt nach Genen, deren Reaktion auf Stickstoff von der Dosis abhängt – also nicht nur davon, ob Stickstoff vorhanden ist. Ziel war es, Regulatoren zu finden, die erst ab bestimmten Konzentrationen eingreifen.

Dafür zogen die Forschenden Arabidopsis (Ackerschmalwand) heran, eine kleine Blütenpflanze, die in der Pflanzenbiologie als Modellorganismus dient. Die Wurzeln wurden für zwei Stunden mit sechs Stickstoffdosen behandelt; anschliessend erfolgte die Sequenzierung.

Dabei stiessen sie auf ein Protein namens HHO5. HHO5 ist ein Transkriptionsfaktor – also ein Protein, das andere Gene an- oder abschalten kann. Es zeigte sich, dass HHO5 die Genaktivität im gesamten Genom und zugleich das Pflanzenwachstum im Takt der Stickstoffdosis mitsteuert.

Auslöser war nicht allein die Menge, sondern auch die Stickstoffform. Die HHO5-Spiegel stiegen, sobald die Pflanze ausreichend organischen Stickstoff aufgebaut hatte – jene Form, die für Transport, Speicherung und den Aufbau von Aminosäuren genutzt wird.

„By identifying gene regulators that are sensitive to different levels and types of nitrogen, we uncovered a regulatory factor controlling nitrogen use and a key to improving nitrogen uptake and assimilation into organic nitrogen in plants,“ sagt Coruzzi.

Pflanzen schalten in einen Energiesparmodus

Ist HHO5 aktiv, laufen zwei Prozesse parallel: Einerseits fördert es Gene, die mit organischem Stickstoff und dem Aminosäurestoffwechsel zusammenhängen. Andererseits drosselt es Gene, die zusätzlichen anorganischen Stickstoff aus dem Boden in die Pflanze holen.

Die Umwandlung von anorganischem in organischen Stickstoff kostet Pflanzen sehr viel Energie. Wenn die internen Speicher voll sind, wirkt das Schliessen des „Zulaufs“ wie eine Strategie zur Energieeinsparung.

„This became the model of how plants establish nitrogen satiety via HHO5,“ sagt Will Hinckley, Doktorand an der NYU und Hauptautor der Studie.

Ein zweites Protein verändert die Reaktion

Warum ein einzelnes Protein beide Rollen übernehmen kann, hing laut Team von der „Begleitung“ ab. Allein wirkt HHO5 als Bremse und schaltet die Aufnahme-Gene herunter. In Kombination mit einem zweiten Protein namens WRKY21 wird es dagegen zum Aktivator.

Überprüft wurde das mit einer Methode namens DoubleTARGET: Zwei Proteine werden jeweils mit einem fluoreszierenden Marker versehen, in isolierten Pflanzenzellen exprimiert und anschliessend sequenziert, um zu zeigen, welche Zielgene das Proteinpaar kontrolliert.

Zellen mit hohen Mengen an HHO5 und WRKY21 zeigten eine stärkere Expression von Genen für organischen Stickstoff sowie von Abwehrgenen.

Coruzzi und Hinckley beantworteten Fragen von Earth.com gemeinsam per E-Mail und betonten, dass gerade diese Doppelrolle den gängigen Lehrbucherwartungen widerspreche.

„Classically, transcription factors (TFs) have been seen as either activators of gene expression OR repressors, not both,“ teilten sie Earth.com mit.

Dass WRKY21 HHO5 von einem Repressor in einen Aktivator „umstellt“, sei zentral für den gesamten Mechanismus, so die Forschenden. Andere Proteine aus der HHO-Familie sind dafür bekannt, die Aufnahme von anorganischem Stickstoff zu unterdrücken – dass HHO5 zugleich die Reaktionen auf organischen Stickstoff anschaltet, ist jedoch ein Alleinstellungsmerkmal.

Entfernt man das Protein, steigt die Aufnahme

Zum Schluss prüfte das Team, was passiert, wenn HHO5 fehlt. Arbeitsgruppen in Argentinien und an der NYU untersuchten Arabidopsis-Pflanzen, denen HHO5 vollständig fehlt.

Der Effekt zeigte sich dort, wo er in der Landwirtschaft am relevantesten wäre: Unter stickstoffarmen Bedingungen nahmen Pflanzen ohne HHO5 fast dreimal so viel Stickstoff auf, sagen Coruzzi und Hinckley.

„In simple terms, the plants would have increased nitrogen use efficiency,“ schreiben sie. „This would save farmers the cost of N-fertilizer, and could also help reduce the environmental impact of excess N use.“

„Moreover, since removal of HHO5 improves nitrogen uptake, this indicates that modifying HHO5 has the potential to lead to tangible improvements in plant nitrogen assimilation and metabolism,“ sagt Obertello.

Die NYU hat eine Patentanmeldung eingereicht, die die Ergebnisse abdeckt und auf eine Verbesserung der Stickstoffnutzungseffizienz in Pflanzen zielt.

Höhere Aufnahme hat auch Nachteile

Das Ergebnis hat klare Einschränkungen, die offen benannt werden müssen: Untersucht wurde Arabidopsis auf Agarplatten und in Hydrokultur – nicht Mais auf einem Feld.

Ausserdem hatte der gesteigerte „Appetit“ seinen Preis. Der Verlust von HHO5 verlangsamte das Wurzelwachstum, verringerte die Zahl der Samen pro Schote (Silique) und senkte den Stickstoffgehalt der Samen.

Das ist entscheidend, weil Dünger letztlich den Kornertrag verbessern soll – nicht die Wurzelmasse. Stickstoff nützt nur dann, wenn er in die Pflanzenteile gelangt, die Menschen tatsächlich essen.

Auch innerhalb seiner Proteinverwandtschaft ist HHO5 auffällig: Es sitzt in Phloemzellen – jenem Gewebe, das Stickstoff innerhalb der Pflanze verteilt. Das könnte erklären, warum der Verlust genau dieses Gens so starke Folgen hat.

„We were excited to find that HHO5 was specifically expressed in phloem,“ sagen Coruzzi und Hinckley. „Phloem cells are highly specialized, and are important for N transport.“

Die Studie wollte gezielt Dosis und Form des Stickstoffs testen. Wie wichtig der Ort des Proteins in der Pflanze ist, erwies sich dabei als ebenso ausschlaggebend, so das Team.

Auf dem Weg zu effizienteren Nutzpflanzen

Langfristig geht es um Kulturpflanzen, die weiter Stickstoff aufnehmen, solange der Boden noch etwas liefern kann. Andere Forschungsgruppen verfolgen ein ähnliches Ziel, setzen dabei jedoch auf stickstofffixierende Bakterien.

„This knowledge may aid the engineering of ‘gluttonous’ plant varieties that absorb more available nitrogen,“ sagt Hinckley.

Gleichzeitig verweisen Coruzzi und Hinckley darauf, dass Stickstoff-Antwortgene zwischen Arabidopsis und Mais gut konserviert sind. Zudem liege HHO5 im Zentrum eines Stickstoff-Reaktionsnetzwerks, das Arabidopsis und Reis gemeinsam ist.

„We have also shown that increased NUE phenotypes observed in Arabidopsis mutants are conserved in the orthologous mutants of maize,“ schreiben sie. „So, the results for HHO5 and N-use in Arabidopsis will likely be translatable to maize and rice.“

Ob sich dieser Schalter in Weizen, Reis oder Mais im Feld tatsächlich genauso verhält, muss noch gezeigt werden. Als erstes Problem müsste eine Nutzpflanzen-Variante den in Arabidopsis beobachteten Nachteil bei den Samen lösen.

Finanziert wurde die Arbeit durch das National Institute of General Medical Sciences am NIH; in Argentinien kam Unterstützung von ANPCyT und CONICET hinzu.