Im achten Jahr nimmt ein Team von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) an iGEM („international Genetically Engineered Machine“) teil, einem internationalen studentischen Wettbewerb der synthetischen Biologie. Das diesjährige Team aus HHU-Studierenden plant, mit einem biologischen Dünger aus verbesserten symbiotischen Pilzen die Landwirtschaft effektiver zu machen. So sollen auch negative Effekte von Überdüngung auf die Umwelt eingeschränkt werden.
Eine besondere Schwierigkeit für die Landwirtschaft ist, dass Pflanzen phosphathaltige Dünger nur ineffizient aufnehmen. Denn sie werden nicht gleichmäßig über längere Zeit verteilt gegeben, sondern kurzfristig in hoher Dosis angewendet und dann schnell weggeschwemmt. Deshalb muss einerseits mehr Dünger als nötig verwendet werden. Andererseits verschmutzen nicht genutzte, durch den Regen ausgewaschene Phosphate vielerorts weiträumig natürliche Gewässer und bringen so die betroffenen Ökosysteme aus dem Gleichgewicht.
Diesem grundsätzlichen Problem der Landwirtschaft will das HHU-iGEM-Team 2023 begegnen. Die Studierenden nutzen dazu die natürlich vorkommende Pilzspezies Serendipita indica. Pilze unterstützen Pflanzen generell dabei, Nährstoffe aus dem Boden aufzunehmen. Oft leben sie in einer symbiotischen Gemeinschaft, was bedeutet, dass die Pflanzen für ihr Überleben zwingend auf die Pilze angewiesen sind, umgekehrt aber auch die Pilze versorgen.
„Der Pilz hat eine natürliche Speicherfunktion für Nährstoffe, die wir ausnutzen und ausbauen wollen, um ein Puffersystem für den angewendeten Phosphatdünger aufzubauen“, sagt Antigoni Mouratidou, eine der drei Teamleiter bzw. Teamleiterinnen: „Außerdem vergrößert er die Aufnahmeoberfläche und damit die Geschwindigkeit, mit der überlebenswichtige Stoffe für die Pflanze gespeichert werden.“
Für ihr Ziel wollen die Projektteilnehmenden nun die Transportvorgänge des Pilzes so modifizieren, dass er auf unterschiedliche Phosphatkonzentrationen im Erdreich dynamisch reagieren kann. Die Experimente werden die HHU-Studierenden vorwiegend in einem Modellorganismus – der Hefe – durchführen; die Ergebnisse können dann auf andere Pilze übertragen werden.
„Wir wollen schlussendlich einen auf Pilzen basierenden biologischen Dünger verfügbar machen – einen ‚Fungilyzer‘. Dieser würde verhindern, dass Düngemittel ausgewaschen werden, weil der Pilz die überschüssigen Phosphate bindet. Hiermit wird verhindert, dass Gewässer überdüngt werden, was zu unerwünschtem Algenwachstum führt. Weiterhin soll der Dünger, der universell für die meisten Nutzpflanzen angewendet werden kann, natürlich deren Wachstum auf den Feldern verbessern”, erläutert Teamleiter Niklas Küppers.
Die Pilze verbessern die Phosphataufnahme, indem sie bei hoher Phosphatkonzentration im umgebenden Boden mehr Transportkanäle für den Mineralstoff ausbilden. Hierdurch werden die Mineralstoffe besser zu den Wurzeln geschafft, was eine schnelle Aufnahme begünstigt. So kann der Pilz auch in nährstoffarmen Zeiten mehr von dem Phosphat, das er speichert , an die Ackerpflanze weitergeben.
HHU / Jona Gerhards
Wird der Nährstoffgehalt des Bodens zu niedrig, aktiviert sich im Fungilyzer ein „Notfall-Gen“, wodurch der Pilz kontrolliert abstirbt . Dadurch werden alle im Pilz gespeicherten Nährstoffe in den Boden abgegeben und stehen jetzt der Pflanze zur Verfügung. So gestärkt, kann sie schwierige Umweltbedingungen überleben, Missernten können vermieden werden.