Pil­ze als Nah­rungs­quel­le für Pflan­zen: Bio­lo­gen der Uni­ver­si­tät Bay­reuth ver­öf­fent­li­chen über­ra­schen­de Erkennt­nis­se

Die Zahl der Pflan­zen­ar­ten, die orga­ni­sche Nähr­stof­fe von Pil­zen gewin­nen, könn­te weit­aus höher sein als bis­her ange­nom­men. Dies haben For­scher der Uni­ver­si­tät Bay­reuth und der Uni­ver­si­tät Kopen­ha­gen durch Iso­to­pen­un­ter­su­chun­gen an der Vier­blätt­ri­gen Ein­bee­re her­aus­ge­fun­den. Die­se in Euro­pa weit ver­brei­te­te Wald­bo­den­pflan­ze gilt in der Bota­nik als ein Pro­to­typ für Pflan­zen, die auf eine spe­zi­fi­sche Wei­se in Aus­tausch­be­zie­hun­gen mit Pil­zen ste­hen und rund 40 Pro­zent aller Pflan­zen­ar­ten aus­ma­chen. In der Fach­zeit­schrift „The New Phy­to­lo­gist“ berich­ten die Wis­sen­schaft­ler über ihre über­ra­schen­den Ergeb­nis­se.

Prof. Dr. Gerhard Gebauer (li.) und Philipp Giesemann M.Sc. (re.) im Labor für Isotopen-Biogeochemie der Universität Bayreuth. Foto: Christian Wißler.

Prof. Dr. Ger­hard Gebau­er (li.) und Phil­ipp Gie­se­mann M.Sc. (re.) im Labor für Iso­to­pen-Bio­geo­che­mie der Uni­ver­si­tät Bay­reuth. Foto: Chri­sti­an Wiß­ler.

Die For­schungs­er­geb­nis­se zei­gen, dass die öko­lo­gi­sche Bedeu­tung von Pil­zen immer noch erheb­lich unter­schätzt wird. „Falls sich die Über­le­gung bestä­ti­gen soll­te, dass weit­aus mehr Pflan­zen­ar­ten als bis­her bekannt einen Teil ihrer orga­ni­schen Nähr­stof­fe von Pil­zen bezie­hen, haben Pil­ze einen erheb­li­chen Ein­fluss auf die Bio­di­ver­si­tät und Funk­ti­on von Öko­sy­ste­men. Pro­gram­me und Maß­nah­men im Natur- und Umwelt­schutz soll­ten daher ver­stärkt auch die Pil­ze berück­sich­ti­gen“, sagt Phil­ipp Gie­se­mann M.Sc., der Erst­au­tor der Stu­die, der zur­zeit an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth im Fach Bio­lo­gie pro­mo­viert und durch ein Sti­pen­di­um des Eli­tenetz­werks Bay­ern (ENB) geför­dert wird.

Unter­ir­di­sche Netz­wer­ke

Weit mehr als 90 Pro­zent aller Pflan­zen­ar­ten sind über ihr unter­ir­di­sches Wur­zel­werk mit Pil­zen ver­netzt. Eine sol­che Sym­bio­se von Pflan­zen und Pil­zen wird als „Mykorr­hi­za“ bezeich­net. Sehr oft ist sie für bei­de Part­ner vor­teil­haft: Wäh­rend Pil­ze die Pflan­ze mit Mine­ra­li­en und Was­ser belie­fern, ver­sorgt die Pflan­ze die Pil­ze mit koh­len­stoff­hal­ti­gen Nähr­stof­fen, die sie zuvor durch eige­ne Pho­to­syn­the­se erzeugt hat. Doch es kommt auch vor, dass Pflan­zen die mit ihnen ver­netz­ten Pil­ze ein­sei­tig aus­beu­ten. Dann ent­zie­hen sie ihren Pilz­part­nern orga­ni­sche Nähr­stof­fe, statt sie durch Pho­to­syn­the­se selbst zu pro­du­zie­ren. Die­se Nähr­stof­fe wur­den bei­spiels­wei­se von Bäu­men an die Pil­ze abge­ge­ben und wer­den nun von einer drit­ten Pflan­ze mit­hil­fe eines unter­ir­di­schen Wur­zel­netz­werks gleich­sam ange­zapft. Sol­che Pflan­zen wer­den daher „myko­he­te­ro­troph“ genannt. Bekann­te­stes Bei­spiel sind die Orchi­deen: Weil sie sich über unter­ir­di­sche Wur­zel-Netz­wer­ke teil­wei­se oder voll­stän­dig von Pil­zen ernäh­ren las­sen, sind sie nicht aus­schließ­lich auf Pho­to­syn­the­se ange­wie­sen. So kön­nen sie sogar im dun­kel­sten Schat­ten von Wäl­dern gedei­hen.

Rund 80 Pro­zent aller grü­nen Pflan­zen­ar­ten betrei­ben aller­dings eine Form der Mykorr­hi­za, von der die For­schung bis­her ange­nom­men hat, dass sie immer mit fai­ren Aus­tausch­be­zie­hun­gen zwi­schen Pflan­zen und Pil­zen ein­her­geht. Bei die­ser „arbus­ku­lä­ren Mykorr­hi­za“ – so glaub­te man – wären die grü­nen Pflan­zen immer voll­stän­dig auto­tro­phe Part­ner, die lebens­wich­ti­ge orga­ni­sche Nähr­stof­fe selbst pro­du­zie­ren und teil­wei­se an ihre Pilz­part­ner abge­ben. Aber die jetzt ver­öf­fent­lich­ten Unter­su­chun­gen an der Vier­blätt­ri­gen Ein­bee­re (Paris qua­drifo­lia) wider­le­gen die­se pau­scha­le Annah­me. Die Bay­reu­ther For­scher konn­ten zwei­fels­frei nach­wei­sen, dass die­se Pflan­ze einen Teil ihrer koh­len­stoff­hal­ti­gen Nähr­stof­fe von Pilz­part­nern bezieht.

Die Ein­bee­re als Pro­to­typ

Vierblättrige Einbeere (Paris quadrifolia). Foto: Philipp Giesemann

Vier­blätt­ri­ge Ein­bee­re (Paris qua­drifo­lia). Foto: Phil­ipp Gie­se­mann

„Die­se Erkennt­nis könn­te für die Bota­nik weit­rei­chen­de Fol­gen haben“, erklärt der Bay­reu­ther Bio­lo­ge Prof. Dr. Ger­hard Gebau­er, der die For­schungs­ar­bei­ten koor­di­niert hat. „Denn die Fach­welt unter­schei­det zwi­schen zwei For­men einer arbus­ku­lä­ren Mykorr­hi­za, die jeweils von etwa 40 Pro­zent aller Pflan­zen­ar­ten betrie­ben wer­den. Die Ein­bee­re gilt in gewis­ser Wei­se als Modell für eine die­ser bei­den For­men einer pflanz­li­chen Sym­bio­se mit Pil­zen. Inso­fern steht sie pro­to­ty­pisch für weit mehr als ein Drit­tel aller Pflan­zen­ar­ten. Von daher drängt sich die Fra­ge auf, ob die Zahl der Pflan­zen­ar­ten, die auf Kosten von Pil­zen leben, mög­li­cher­wei­se viel höher ist, als man bis­her geglaubt hat. An einer wei­te­ren Pflan­ze mit arbus­ku­lä­rer Mykorr­hi­za, dem Busch­wind­rös­chen, haben wir bereits eben­falls eine myko­he­te­ro­tro­phe Lebens­wei­se ent­decken kön­nen“, so der Bay­reu­ther Bio­lo­ge.

Par­al­lel dazu haben die For­scher ana­lo­ge Unter­su­chun­gen am Gefleck­ten Aron­stab (Arum macu­la­tum) durch­ge­führt. Die­se Pflan­ze gilt als pro­to­ty­pisch für die zwei­te Form der arbus­ku­lä­ren Mykorr­hi­za, die von zahl­rei­chen land­wirt­schaft­li­chen Nutz­pflan­zen bevor­zugt wird. Sie ver­hält sich ein­deu­tig auto­troph und ver­sorgt sich durch Pho­to­syn­the­se mit allen koh­len­stoff­hal­ti­gen Nähr­stof­fen, die sie benö­tigt.

Hin­ter­grund

Die For­schungs­er­geb­nis­se zur myko­he­te­ro­tro­phen Lebens­wei­se der Ein­bee­re beru­hen auf Iso­to­pen-Unter­su­chun­gen. Schon seit lan­gem ist bekannt, dass Pflan­zen, die von Pil­zen mit Koh­len­stoff und Stick­stoff ver­sorgt wer­den, einen ver­gleichs­wei­se hohen Anteil an schwe­ren Kohlenstoff‑, Was­ser­stoff- und Stick­stoff-Iso­to­pen auf­wei­sen. In auto­tro­phen Pflan­zen ist der Anteil die­ser Iso­to­pen gerin­ger. Das Labor für Iso­to­pen-Bio­geo­che­mie am Bay­reu­ther Zen­trum für Öko­lo­gie und Umwelt­for­schung (Bay­CE­ER) ist dar­auf spe­zia­li­siert, Nähr­stoff-Flüs­se inner­halb von Öko­sy­ste­men mit­hil­fe von Iso­to­pen auf­zu­klä­ren.

Ver­öf­fent­li­chung

Phil­ipp Gie­se­mann et al.: Dis­creet hete­ro­trophs: Green plants that recei­ve fun­gal car­bon through Paris-type arbus­cu­lar mycorr­hi­za. The New Phy­to­lo­gist (2020), DOI: http://​dx​.doi​.org/​1​0​.​1​1​1​1​/​n​p​h​.​1​6​367