Aktuelle Ausgabe 01/2024

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Körnerleguminosen in Interaktion mit den Bodenmikroorganismen

Die Fähigkeit von Körnerleguminosen, mit Rhizobien unter Bildung von Wurzelknöllchen eine Symbiose einzugehen und darüber für einen Stickstoffeintrag zu sorgen, ist hinlänglich bekannt. Weniger bekannt sind weitere zum Teil sehr komplexe Beziehungen der Leguminosen zu anderen Bakterienarten, aber auch zu Pilzen. So sorgen Leguminosen für eine Aktivierung des Bodenlebens – eine wertvolle Funktion, von der die gesamte Fruchtfolge profitiert.
Prof. Christel Baum von der Universität Rostock gibt einen Einblick.

Symbiosen bringen viele Vorteile für die Pflanzen mit sich Körnerleguminosen gehen überwiegend eine doppelte Symbiose mit Rhizobien und arbuskulären Mykorrhizapilzen ein. Eine Ausnahme bilden Lupinen, die sich mit Rhizobien jedoch nicht oder nur sehr geringfügig mit arbuskulären Mykorrhizapilzen vergesellschaften. Im Gegensatz zu den arbuskulären Mykorrhizapilzen sind die Rhizobien wirtsspezifisch. Körnerleguminosen wie Ackerbohnen und Erbsen werden hauptsächlich durch Arten der Gattung Rhizobium (insbesondere Rhizobium leguminosarum var. viciae) besiedelt, Lupinen und Sojabohnen hingegen durch verschiedene Arten der Gattung Bradyrhizobium und bilden mit diesen die für die N-Fixierung erforderlichen Wurzelknöllchen.

Arbuskuläre Mykorrhizapilze sind weitverbreitet und gehen mit einem Großteil der Pflanzenarten eine Symbiose ein, eine Ausnahme sind z. B. die Kreuzblütler (Brassicaceae). Arbuskuläre Mykorrhizapilze besiedeln die Rindenzellen der Pflanzenwurzeln und bilden darin die Arbuskeln, bäumchenartige Strukturen, die dem Stoffaustausch zwischen den Symbiosepartnern dienen. Das von der Wurzel in den Boden ausgehende Myzel der Mykorrhizapilze dient als Verlängerung der Wurzeln und vervielfacht den Einzugsbereich der Pflanze.

Die Hyphen der Mykorrhizapilze haben für die Pflanzen zwei wesentliche Funktionen: die verbesserte Nährstoff- und Wasseraufnahme sowie die Förderung von induzierter Resistenz. Induzierte Resistenz ist die Entwicklung einer verstärkten Abwehr der Pflanze gegenüber Krankheitsbefall in Reaktion auf die Besiedlung durch Mykorrhizapilze. Besonders wichtig ist die Funktion der Mykorrhizapilze für die Phosphor- und Zink-Versorgung der Pflanzen. Die P-Versorgung durch die Mykorrhizapilze fördert die N-Fixierung durch die Rhizobien, ähnlich verhält es sich z. B. mit Zink. Dabei profitiert der eine Symbiont vom anderen. Mykorrhizapilze beziehen Assimilate von den Pflanzen, die von der Wirtspflanze durch eine erhöhte Photosyntheseleistung ausgeglichen werden. Die „Zusammenarbeit“ mit den Mykorrhizapilzen führt daher insgesamt zu erhöhter Stresstoleranz, zu verbesserter Pathogenabwehr und verringerter Attraktivität für Fraßfeinde.


Wo viele Nährstoffe verfügbar sind, braucht es keine Symbiosen!

Symbiosen werden von Leguminosen jedoch nur bedarfsgebunden ausgebildet. Die biologische N-Fixierung ist sehr energieaufwendig und bindet ca. 25 % der Pflanzenassimilate. Standorte mit hoher N-Verfügbarkeit aus vorheriger N-Düngung, durch N-Mineralisierung aus der Streu, aus organischen Düngemitteln oder aus der organischen Bodensubstanz weisen daher in der Regel eine geringere Knöllchenbildung in den Wurzeln auf, und somit wird die symbiontische N-Fixierung reduziert. Bodenbearbeitungssysteme können sich auch auf die Knöllchenentwicklung auswirken. So wurde eine erhöhte N-Fixierung bei pflugloser im Vergleich zur wendenden Bestellung festgestellt. Weiterhin weisen Standorte mit hoher P-Verfügbarkeit ebenso eine geringere Mykorrhizierungsrate der Wurzeln und folglich eine geringere symbiontische Förderung der P-Versorgung aus dem Bodenpool auf. Je schlechter also die Nährstoffsituation eingangs ist, desto größer ist die Bedeutung der Symbionten für die Pflanzenernährung!

Stickstoffbindung ist auch für nachfolgende Pflanzen wichtig

Der symbiontische Stickstoffeintrag kann z. B. bei Erbsen bis ca. 250 kg/ha betragen und bei Ackerbohnen sogar bis ca. 330 kg/ha und Jahr. Für die Nachfrucht verbleiben ca. 25–50 kg/ha Stickstoff als Nettoeintrag aus der N-Mineralisierung der Spross- und Wurzelstreu sowie der Rhizodeposition, also der Wurzelausscheidungen. Leguminosen sind hiermit die einzigen Fruchtarten, die keine zusätzliche N-Düngung zur Ausschöpfung ihres Ertragspotenzials benötigen und den N-Düngebedarf der Nachfrucht reduzieren können (s. Tab. 1).



Es gibt noch weitere Bakterien und Pilze an der Wurzel

Rhizobien sind als bekannteste und bedeutendste Symbionten der Leguminosen jedoch nicht die einzigen pflanzenwachstumsfördernden Bodenbakterien in Assoziation mit Körnerleguminosen. Aktuelle Forschungsergebnisse belegen, dass ca. 15 % des Mikrobioms in den Wurzelknöllchen von Leguminosen aus weiteren teilweise ebenfalls wachstumsfördernden Bakterienarten besteht. Deren Bedeutung ist jedoch noch unzureichend geklärt. Auch besiedeln neben den Mykorrhizapilzen weitere Pilze und Bakterien das Innere des pflanzlichen Wurzelsystems, ohne diese morphologisch zu verändern. Man bezeichnet diese Organismenals Endophyten. Sie können die Pflanzen ohne äußere Symptome besiedeln, aber auch parasitisch oder wachstumsförderlich wirken, in dem sie Substanzen produzieren, die den Wuchs der Pflanze fördern oder ihre Stresstoleranz erhöhen. Wurzelendophytische Bakterien und Pilze von Leguminosen werden aktuell in internationalen Forschungsaktivitäten intensiv auf ihr Potenzial und ihre Einsatzmöglichkeiten untersucht.


Mikrobielle Saatgutbeizung

Allgemein formuliert soll die Saatgutbehandlung mit Mikroorganismen (Bakterien und Pilzen) die Pflanzen stärken und im Wachstum fördern und widerstandsfähiger gegen Schädlingsbefall und abiotischen Stress machen. Es ist daher in den kommenden Jahren mit einem vermehrten Einsatz derartiger Saatgutbehandlung zu rechnen, um den geforderten reduzierten Einsatz von Dünge- und Pflanzenschutzmitteln bestmöglich zu kompensieren und die Ertragsstabilität von Körnerleguminosen auch bei dem durch den Klimawandel zu erwartenden erhöhten biotischen Stress zu gewährleisten. 


Wachstumsförderung auf der Basis von wurzelbesiedelnden Bakterien und Pilzen beruht auf …

  1. der Antibiose gegenüber Pathogenen: Wachstumshemmung eines Schaderregers.
  2. der Unterdrückung von Pathogenen durch die Konkurrenz um Nährstoffe und Lebensraum.
  3. auf Mykoparasitismus: In der Landwirtschaft und im Gartenbau sind z. B. Trichoderma-Stämme kommerziell verfügbar. Stämme dieser Pilzgattung aus der Gruppe der Zersetzer können bodenbürtige Pathogene wie Fusarien durch Parasitierung reduzieren und das Pflanzenwachstum fördern.
  4. induzierter Resistenz. Hierbei wird das pflanzliche Immunsystem gestärkt und dadurch eine verbesserte Abwehr von Pflanzenkrankheitserregern bewirkt. Dies erschwert z. B. eine Infektion mit bodenbürtigen Pathogenen und erhöht hiermit die Bestandsvitalität und damit die Ertragssicherheit.

Zu häufiger Anbau von Leguminosen schadet (auch) dem Bodenleben

Neben den vorteilhaften Wirkungen des Anbaus von Leguminosen auf die Bodenmikroorganismen ist die Wurzelaktivität und -streu von Leguminosen bei hoher Anbaudichte in der Fruchtfolge jedoch eine potenzielle Ursache für Bodenmüdigkeit. Bodenmüdigkeit, speziell Leguminosenmüdigkeit, ist eine unspezifische Wachstumshemmung von Leguminosen bei hoher Anbaudichte in der Fruchtfolge. Sie hat keine einzelne Ursache, sondern wird bedingt durch das standortspezifische Zusammenwirken abiotischer und biotischer Ursachen.

  • Wie viele andere Pflanzenarten scheiden Leguminosen während ihres Wachstums in den Wurzelraum auch potenziell toxische Stoffe zur Abwehr von Konkurrenten aus. Diese als allelopathisch bezeichneten Stoffe, können in erhöhter Konzentration autotoxisch wirken, also die eigene Pflanzenart ebenfalls im Wachstum hemmen.
  • Abiotisch können ungünstige pH-Werte, erhöhte Lagerungsdichte des Bodens, geringer Gasaustausch das Wurzelwachstum der Leguminosen allgemein hemmen und Bodenmüdigkeit beschleunigt auftreten lassen. Da Leguminosen einen erhöhten Bedarf an den Mikronährelementen Eisen, Bor, Kupfer, Zink, Molybdän und Mangan aufweisen, kann Mikronährstoffmangel ebenfalls zu Wuchshemmung beitragen.
  • Biotisch kann der häufige Anbau zu einer Anreicherung von Pathogenen und Schädlingen, aber auch zu einem Ungleichgewicht in der Symbiosebildung mit Knöllchenbakterien und Mykorrhizapilzen führen. Leguminosenmüdigkeit tritt, durch das 
    komplexe Zusammenwirken der Ursachen, standortspezifisch unterschiedlich schnell und im Zusammenwirken unterschiedlicher Ursachenkomplexe auf.

Maßnahmen gegen Leguminosenmüdigkeit

Anbauabstände einhalten: Generell sollte auf betroffenen Standorten die Anbaudichte von Leguminosen reduziert und der Humusaufbau und hiermit das Bodenleben gefördert werden, um eine Unterdrückung bodenbürtiger Pathogene und Schaderreger sowie den Abbau der Wurzelstreu der Leguminosen zu fördern.
Um Leguminosenmüdigkeit zu vermeiden, sollten die empfohlenen mehrjährigen Anbaupausen
von mindestens 4 besser 6 Jahren unbedingt eingehalten werden.
Auf betroffenen Standorten sollten zudem der pH-Wert, die Lagerungsdichten und die Nährstoffversorgung geprüft werden, um bei Bedarf regulierend einzugreifen.
Kompostausbringung: Gegenwärtig werden durch die Universität Rostock und Naturland e.V. im Rahmen des Projektes TriSick in Demostreifenanlagen Maßnahmen zur beschleunigten Aufhebung von Leguminosenmüdigkeit von Böden durch die Förderung von Zersetzern in der bodenmikrobiellen Gemeinschaft über die Ausbringung von Komposten getestet.
Gleichzeitig kann der Einsatz von Saatgut mit wachstumsfördernden mikrobiellen Stämmen in der Beizung zur verbesserten Bestandsvitalität beitragen.
Vermeidung von Pflugsohlenverdichtungen: Körnerleguminosen unterscheiden sich neben ihrer mikrobiellen Besiedlung wesentlich in ihrer Wurzelmorphologie, also dem Bau des Wurzelsystems und hiermit der Erschließung des Bodens. Während Erbsen den Oberboden besonders intensiv erschließen, nutzen z. B. Ackerbohnen den Unterboden durch ihre Pfahlwurzeln schneller und intensiver aus. Bodenverdichtungen sollten daher unbedingt vermieden werden.

Da aufgrund des steigenden Interesses am Anbau von Eiweißpflanzen – häufig in Verbindung mit reduzierter N-Düngung in der Fruchtfolge – die Anbaudichten von Leguminosen künftig weltweit steigen werden, wird aktuell intensiv an Möglichkeiten zur Regulierung bzw. Minderung von Leguminosenmüdigkeit geforscht. Der aktuelle Kenntnisstand wird zeitnah veröffentlicht.

Stand: 27.07.2023