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News: Gebremster Zuwachs

Üppigere Erträge - wenigstens ein Gutes sollten die anwachsenden Kohlendioxidgehalte in der Luft doch haben, so hofften manche Forscher. Inzwischen ist die Hoffnung etwas getrübt, denn verschiedene Experimente erbrachten nicht den erwarteten Zuwachs. Offenbar kommt es ganz darauf an, in welcher Form den Pflanzen der lebensnotwendige Stickstoff zur Verfügung steht.
Welche Folgen die steigenden Kohlendioxidkonzentrationen in der Atmosphäre haben werden, ist immer noch ein großes Rätsel. Doch neben den zahlreichen Befürchtungen stand auch eine hoffnungsvolle Erwartung – das Gas sollte das Wachstum der Pflanzen ankurbeln und so reichere Ernten ermöglichen. Allerdings erwiesen sich diese Hoffnungen als trügerisch: Mehrere Labor- wie Freilandexperimente zeigten, dass die grünen Organismen zwar zunächst wirklich mehr Kohlenstoff aufnahmen, die Kurve sich jedoch nach einiger Zeit abflachte und sich letztendlich bei etwa zwölf Prozent mehr als in den Kontrollpflanzen einpendelte.

Wer bremst hier, fragten sich auch Arnold Bloom und seine Kollegen von der University in California in Davis, und wendeten sich einem anderen Baustein für Biomasse zu – dem Stickstoff. Als Bestandteil von Nucleinsäuren, Aminosäuren und damit Proteinen ist er unverzichtbar. Allerdings können Pflanzen ihn nur in anorganischer Form – als Ammonium, Nitrit oder Nitrat – verwerten. Diese Nährstoffe entstehen beispielsweise beim Abbau abgestorbener Biomasse im Boden, wo sie von den Wurzeln aufgenommen werden.

Doch aufgenommen heißt nicht, dass die Nährstoffe direkt am Stoffkreislauf teilnehmen. Denn bevor die Pflanzen das Nitrat nutzen können, müssen sie es erst in Nitrit umwandeln und in die Chloroplasten einschleusen, wo es dann weiter zu Ammonium reduziert und in die chemische Maschinerie eingespeist wird. Und hier setzt offenbar die Bremse an.

Als die Forscher Weizen- und Erbsenkeimlinge unter verschiedenen Kohlendioxidgehalten aufzogen und sie dabei entweder mit Ammonium oder Nitrat "fütterten", zeigten sich plötzlich deutliche Unterschiede: Die mit Nitrat versorgten Schößlinge blieben weit hinter den Ammoniumzöglingen zurück.

Die Forscher vermuten dahinter zwei Prozesse. Zum einen konkurriert die Kohlenstofffixierung in der Photosynthese mit der Reduktion von Nitrat zu Nitrit um NADH – ein Molekül, das an der Übertragung von Elektronen mitwirkt. Zum anderen benötigen sowohl der Calvin-Zyklus, in dessen Rahmen das Kohlendioxid gebunden und zu Kohlenhydraten umgebaut wird, als auch die Umwandlung von Nitrit zu Ammonium reduziertes Ferredoxin, ein Protein, das die Elektronen für die Reduktion bereitstellt. Und auch hier zieht die Stickstoffassimilation eindeutig den Kürzeren.

Sollten sich die Laborergebnisse auf die Umweltbedingungen im Freiland übertragen lassen, so hätte dies einige Folgen für den Düngemitteleinsatz in der Landwirtschaft. Schließlich gehört Weizen zu den wichtigsten Nahrungspflanzen weltweit – die Anbaufläche beträgt global über 200 Millionen Hektar, die jährlich mit 18 Millionen Tonnen Stickstoff gedüngt werden. In den Böden typischer Weizenäcker liegt das Element vorwiegend als Nitrat vor. Wenn sich die steigenden Kohlendioxidgehalte also tatsächlich hemmend auf die Nitratassimilation auswirken, werden die Landwirte ihre Düngestrategie wohl überdenken müssen.

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