Die Bedeutung der CO2-Fixierung von Leguminosenknöllchen für ihre Aktivität und Effizienz

Abstract

In den vorliegenden Arbeiten wurden Versuche an Leguminosen (Pisum sativum L. und Medicago sativa L.) hinsichtlich des Einflusses der Knöllchen-CO2 Fixierung auf die N2 Fixierung durchgeführt. Es wurde gezeigt, dass die CO2 Fixierung von zentraler Wichtigkeit für die N2 Fixierung ist. Methodische Grundlage für diese Arbeiten war die Etablierung einer Gaswechselmessanlage, die relevante Gaswechselprozesse im Knöllchen-/Wurzelraum erfasst und vom Spross unabhängige Behandlungen des Wurzelraumes mit verschiedenen Gasgemischen ermöglicht. Das etablierte System mit folgenden Anwendungsmöglichkeiten wird beschrieben: (i) Messung der H2-Freisetzung als indirektes Maß für die N2 Fixierung, (ii) Messung der Sauerstoffaufnahme und CO2 Freisetzung der Wurzeln und Knöllchen im offenen Durchfluss, (iii) Langzeitapplikation von Gasen unterschiedlicher Zusammensetzung (Bsp. erhöhte CO2 Konzentration) zum Wurzelraum, (iv) Applikation von Isotopengasen (15N2 und 13CO2) in den Wurzelraum. Mittels 15N2 Applikation wurde die Wasserstofffreisetzungsmethode zur Bestimmung der N2 Fixierung verifiziert. Mit 93% der tatsächlichen N2 Fixierung zeigte das Verfahren eine sehr hohe Genauigkeit. Unter der Knöllchen CO2 Fixierung versteht man die Bindung von CO2 an Phosphoenolpyruvat an der Phosphoenolpyruvatcarboxylase (EC 4.1.1.31) im Zytosol von infizierten Zellen des Knöllchens. Das Resultat dieser Reaktion ist Oxalacetat, welches im Stoffwechsel des Knöllchens zwei wichtige Funktionen hinsichtlich der N2 Fixierung hat. Oxalacetat kann als Kohlenstoffgerüst für den N Einbau fungieren und zudem nach dem Umbau zu Malat als Energiequelle für den N2 Fixierungsprozess an der Nitrogenase dienen. Es konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass zwischen der CO2 Fixierung der Knöllchen und der N2 Fixierung ein enger Zusammenhang bestand. Regulationszustände erhöhter N2 Fixierung gingen mit einer erhöhten CO2 Fixierung einher. Außerdem wurde deutlich, dass die CO2 Fixierung ein interner Mechanismus sein kann, um in Phasen erhöhter N2 Fixierleistung (Hülsenfüllungsphase der Erbsen) den relativen Mangel an organischen Säuren zu kompensieren. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass eine erhöhte CO2 Konzentration im Wurzelraum von Luzerne ( Belüftung mit 2500 ppm versus Belüftung mit CO2-freier Luft) eine erhöhte CO2 Fixierung in den Knöllchen induziert. Diese erhöhte CO2 Fixierleistung resultierte in einer erhöhten N2 Fixierung der Pflanze, verbunden mit einem erhöhten Transport von Aminosäuren in den Spross. Eine erhöhte CO2 Konzentration im Wurzelraum zeigte weiterhin einen Einfluss auf die Knöllchenentwicklung: sie ging einher mit der Bildung von weniger aber größeren Knöllchen. Die mögliche Bedeutung dieser Ergebnisse für experimentelle Verfahren der Gaswechselmessungen im Kontext der N2 Fixierung sowie die Verbesserung der N2 Fixierungsleistung von Leguminosen für die landwirtschaftliche Nutzung werden diskutiert.