Pflanzen brauchen Stickstoff - ohne ihn können sie keine Proteine, keine Erbsubstanz und kein Blattgrün bilden. In der Luft gibt es zwar reichlich Stickstoffgas (N₂), doch Pflanzen können diese Form nicht nutzen - das Molekül ist extrem stabil und für sie chemisch "verschlossen". Sie brauchen Stickstoff in gelöster Form, etwa als Nitrat oder Ammonium im Boden.
Heute kommt dieser Stickstoff meist aus Kunstdünger. Er wird in großen Anlagen im sogenannten Haber-Bosch-Verfahren hergestellt - mit hohem Energieeinsatz und vor allem mit Erdgas. Das treibt CO₂-Emissionen in die Höhe, macht Länder abhängig von Gasimporten und führt bei Überdüngung zu Problemen wie Nitrat im Grundwasser.
Ein Forschungsteam der Universität Freiburg sucht deshalb nach einer Alternative: Nutzpflanzen, die sich mithilfe von Bakterien selbst mit Stickstoff versorgen - so wie es der Weißklee auf der Wiese vormacht.
Weißklee zeigt, wie Bakterien Pflanzen mit Dünger versorgen
Zellbiologe Thomas Ott zeigt im Botanischen Garten der Uni Freiburg eine Kleepflanze. An ihren Wurzeln sitzen kleine Knöllchen: "Da leben die Bakterien und so kann der Klee sich mit Stickstoff selber düngen, indem er diese Symbiose mit den Bakterien eingeht", erklärt er.
Die Bakterien in den Knöllchen knacken das stabile Stickstoffgas aus der Luft und verwandeln es in eine Form, die die Pflanze nutzen kann. Im Gegenzug füttert die Planze die Mikroben mit Zucker aus der Photosynthese. Kunstdünger wird überflüssig - der Dünger entsteht direkt in der Wurzel.
Uni Freiburg entwickelt Ansätze: Können auch Nutzpflanzen von Bakterien lernen?
Solche Partnerschaften mit Bodenorganismen gibt es bei vielen Pflanzen, etwa mit Pilzen, die Phosphat liefern. Das Freiburger Team will diese natürliche Fähigkeit nutzen und erweitern: Auch Nutzpflanzen wie Maniok, Getreide oder Mais sollen gezielt mit stickstoff-fixierenden Bakterien zusammenarbeiten.
"Die Pflanzen haben dieses Grundpotenzial schon", sagt Ott. "Was wir jetzt gucken müssen, ist, dass wir die Pflanze spezifisch auf die Bakterien reagieren lassen und dann dieses Programm nutzen, um quasi die Tür für die Bakterien zu öffnen."
Wie Pflanzen freundliche Bakterien erkennen und nutzen
Die Pflanze muss "freundliche" Bakterien erkennen, von Krankheitserregern unterscheiden und zulassen, dass sie in die Wurzel eindringen. "Es sind ganz viele Gene daran beteiligt", sagt die Zellbiologin Henriette Rübsam: "Das ist ganz selten, dass Pflanzen wirklich Bakterien in die eigenen Zellen reinlassen."
Im Hintergrund spielt ein Schlüsselmolekül eine Rolle: ein Protein namens SYFO2, das am Eintritt der Bakterien beteiligt ist. Es hilft, die Zellmembran einzustülpen und eine Art Kanal zu bilden, durch den die Bakterien in die Wurzelzellen gelangen können. Bausteine für solche Prozesse sind in vielen Pflanzen vorhanden, sie müssen nur richtig angesteuert werden.
Bakterien als Dünger: Balance zwischen Zucker und Ertrag
Eine zentrale Frage lautet: Rechnet sich die Symbiose für die Pflanze? Die Bakterien brauchen dauerhaft Zucker, um den Stickstoff umzuwandeln. Gibt die Pflanze zu viel Energie ab, könnten Wachstum und Ertrag leiden. "Weil eben jetzt eine ganze Reihe von Zucker an die Bakterien gegeben werden muss, ist es eventuell erforderlich, das noch mal ein bisschen aufzustocken", sagt Ott.
Die Forschenden wollen daher auch die Photosyntheseleistung verbessern, damit die Pflanzen insgesamt mehr Energie erzeugen. Ziel ist ein Gleichgewicht: genug Zucker für die Bakterien, damit sie spürbar Stickstoff liefern - und trotzdem stabile Erträge für Landwirtinnen und Landwirte.
Warum die Forschung der Uni Freiburg zu Bakterien und Pflanzen so wichtig ist
Kunstdünger ist einer der größten Energieverbraucher in der Industrie. Er braucht viel Erdgas, verursacht CO₂-Emissionen und setzt bei falscher Anwendung zusätzlich Lachgas frei - ein Treibhausgas, das deutlich stärker wirkt als CO₂. Ausgewaschenes Nitrat belastet zudem Flüsse, Seen und Trinkwasser.
Wenn Pflanzen einen Teil ihres Stickstoffs selbst gewinnen, könnte der Bedarf an Kunstdünger deutlich sinken. Das hätte würde folgendes bewirken:
• der Gasverbrauch und die Abhängigkeit von Lieferländern verringert sich
• der CO₂-Fußabdruck der Landwirtschaft wird verkleinert
• Umweltprobleme durch Überdüngung werden abgeschwächt
Gerade in Regionen, in denen Dünger teuer oder knapp ist, könnten selbstdüngende Pflanzen außerdem helfen, Ernten zu sichern.
99 Forschungsprojekte vorgestellt Baden-Württembergs Universitäten zeigen Lösungen für unabhängigere Technologien
Weniger Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen und mehr Klimaschutz - das ist das Ziel von 99 Projekten der Universitäten. Wie sehen Politik und Wirtschaft die Erfolgschancen?
Forschungsinitiative: Uni Freiburg entwickelt Lösungen für eine fossilfreie Zukunft
Das Freiburger Projekt ist Teil einer Initiative von neun Hochschulen in Baden Württemberg, die "99 Forschungsprojekte für eine postfossile Zukunft" sichtbar macht - von erneuerbarem Strom über neue Materialien und Speicher bis zur klimafreundlichen Landwirtschaft. Die Botschaft: Wer von fossilen Brennstoffen wegkommen will, muss nicht nur Strom und Wärme neu denken, sondern auch Chemie, Landwirtschaft und Produktion.
Gentechnik als Werkzeug, damit Pflanzen mit Bakterien kooperieren
Um Nutzpflanzen diese Fähigkeit zu geben, reichen klassische Züchtung und Auswahl nicht aus. "Wir denken, dass wir zurzeit um einen gentechnischen Ansatz nicht drum herumkommen, weil wir einfach neue Gene einführen müssen", sagt Ott. Gemeint sind Schalter aus Hülsenfrüchten, die in Getreide oder Maniok fehlen.
Moderne Gentechnik wie die Genschere CRISPR/Cas arbeitet präziser als frühere Verfahren, bleibt aber umstritten. Es geht nicht nur um veränderte Pflanzen, sondern auch um gezielt eingeführte Mikroben im Boden. Ob solche Pflanzen zugelassen werden und auf Akzeptanz stoßen, wird eine gesellschaftliche und politische Debatte erfordern.
Erste Ergebnisse: Uni Freiburg testet Bakterien-Pflanzen-Symbiosen im Labor
Die Freiburger Gruppe hat bereits mit Tomaten experimentiert, aktuell laufen Versuche mit Maniok. Weltweit leben rund 500 Millionen Menschen von dieser Wurzelpflanze. Gelingt dort ein Prototyp, könnten später auch Getreide und Mais folgen.
Der entscheidende Schritt steht aber noch bevor: Selbstdüngende Pflanzen müssen im Feld zeigen, dass sie stabil funktionieren - unter Regen, Trockenheit, wechselnden Böden. Und sie müssen beweisen, dass sie Ertrag sichern, ohne neue Umweltprobleme zu schaffen.
Bis dahin bleibt das Projekt vor allem eines: eine weitreichende Perspektive für eine Landwirtschaft, die weniger Erdgas und Kunstdünger braucht. Ob aus der Vision Alltag wird, hängt davon ab, ob Biologie, Politik und Gesellschaft am Ende zusammenfinden.
