In der Landwirtschaft trägt der übermäßige Einsatz von Stickstoffdünger erheblich zur globalen Erwärmung bei. Um dieser Herausforderung zu begegnen, hat ein internationales Team unter der Leitung von Professor Wolfram Weckwerth von der Universität Wien ein neuartiges, ganzheitliches Züchtungskonzept speziell für Weizen vorgeschlagen. Dieser Ansatz zielt darauf ab, die Wechselwirkungen zwischen Pflanze und Bodenmikrobiom zu optimieren, den Stickstoffdüngereinsatz zu reduzieren und zu einer nachhaltigen landwirtschaftlichen Entwicklung beizutragen. Die Forschungsergebnisse wurden in führenden Fachzeitschriften wie Plant Biotechnology und Trends in Plant Science veröffentlicht.

Die intensive Landwirtschaft ist auf Stickstoffdünger angewiesen, um die Nahrungsmittelproduktion zu steigern. Mehr als die Hälfte dieses Stickstoffdüngers geht jedoch jährlich in Luft und Wasser verloren, was zu einer Reihe von Umweltproblemen führt, darunter Luft- und Wasserverschmutzung, Bodenversauerung und Klimawandel. Die Reduzierung von Stickstoffverlusten auf landwirtschaftlichen Flächen senkt nicht nur den Düngemittelbedarf und verbessert die Wirtschaftlichkeit, sondern verbessert auch die menschliche Gesundheit und die Ökosystemleistungen und trägt zum Klimaschutz bei.

Professor Weckwerth betonte, dass sich die Verbesserung der Stressresistenz und des Ertrags von Nutzpflanzen nicht nur auf die Pflanze selbst, sondern auch auf die mikrobiellen Gemeinschaften rund um ihre Wurzeln und Blätter konzentrieren sollte. Mikrobielle Gemeinschaften im Boden haben ein enormes Potenzial, die Bodenfruchtbarkeit zu verbessern und die Abhängigkeit von synthetischen Düngemitteln zu verringern. Das Forschungsteam fand heraus, dass die Pflanzenevolution maßgeblich durch die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Mikroben vorangetrieben wird. Daher ist es entscheidend, Pflanzenarten zu identifizieren, die natürliche Nitrifikationsinhibitoren (BNIs) produzieren. BNIs werden von den Wurzeln im Boden abgesondert und tragen dazu bei, die Nitrifikation im Boden zu kontrollieren und den Stickstoffverlust zu reduzieren.

Das Forschungsteam untersuchte das Potenzial verschiedener Weizensorten zur BNI-Produktion gründlich und entdeckte signifikante natürliche Unterschiede in der BNI-Aktivität innerhalb der Elite-Weizenlinien. Durch die Analyse von Wurzelexsudaten konnten die Forscher Sorten mit besonders hoher BNI-Aktivität identifizieren. Durch den Anbau dieser Weizenlinien mit BNI-Aktivität könnte der Bedarf der Landwirte an Stickstoffdünger künftig deutlich reduziert und so die durch übermäßigen Düngemitteleinsatz verursachten Schäden am globalen Stickstoffkreislauf gemildert werden.

Um dieses Ziel zu erreichen, entwickelte das Forschungsteam ein neues datenbasiertes Konzept für die Pflanzenzucht. Mit Unterstützung von kooperierenden Institutionen in Griechenland, Australien, Indien und anderen Ländern stellte das Team das Konzept des gesamten Organismus in den Mittelpunkt der modernen Pflanzenzucht und integrierte Pflanzengenetik, Mikrobiomforschung und PANOMICS-Technologie zur Generierung von Hochdurchsatzdaten. In Kombination mit Algorithmen des maschinellen Lernens unterstützt dieser innovative Ansatz die Entwicklung neuer Pflanzensorten mit hohem BNI-Potenzial, größerer Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Klimawandel und verbesserter Bodengesundheit.

Das Konzept der Ganzorganismuszüchtung markiert einen Paradigmenwechsel in der landwirtschaftlichen Züchtung. Es verbindet Ökologie, Systembiologie und Züchtungstechnologie, betont die Vernetzung der Ökosysteme und eröffnet neue Wege für eine ressourceneffiziente und klimaresiliente Landwirtschaft.

Weitere Informationen: Arindam Ghatak et al., „Natürliche Variation im Metabolom von Weizenwurzelexsudaten und ihre Auswirkungen auf die hemmende Aktivität der Bionitrifikation“, Plant Biotechnology Journal (2025).