Interaktion komplexierender und reduzierender Wurzelexudate in der Eisenakquisition

Eisen ist ein essentieller Spurennährstoff für Pflanzen und pflanzliche Eisenmangeler- nährung stellt ein weltweit verbreitetes landwirtschaftliches Problem dar, das signifikante Produktionsverluste und Kosten verursacht. Eisenmangel entsteht typischerweise in gut durchlüfteten karbonatischen Böden in denen die Verfügbarkeit des Eisens durch die extrem niedrige Löslichkeit eisenhaltiger Phasen begrenzt ist. Pflanzen, die an solche Bodenverhält- nisse adaptiert sind haben Eisenakquisitionsstrategien evolviert, die die Geochemie der Böden in direkter Umgebung der Wurzeln (d.h. in der Rhizosphäre) verändern, um die Eisenverfügbarkeit zu erhöhen. Eine solche Strategie ist die Ausscheidung von Liganden mit sehr hoher Affinität für Eisen, die sogenannten Phytosiderophoren. Diese liganden bilden lösliche Eisenkomplexe, die von den Pflanzenwurzeln aufgenommen werden können. Land- wirtschaftlich wichtige Gräser wie Weizen, Gerste, Mais und Reis nutzen diese Strategie. Andere Pflanzen scheiden liganden mit geringerer Affinität für Eisen sowie Protonen aus und reduzieren Eisen aus löslichen Komplexen zur Eisenaufnahme. Vor kurzem wurde von Autoren dieses Forschungsgesuchs eine neue Klasse von Cumarinen in Wurzelausscheidungen identifiziert, die eine positive Wirkung auf die Eisenverfügbarkeit zeigen. Allerdings ist ihr Wirkmechanismus unklar. In diesem Zusammenhang stehen die Zielsetzungen des beantragten Projektes: 1) die Identifikation neuer Pflanzenausscheidun- gen mit spezifischen neuen Funktionen in der Eisenakquisition, insbesonders in Bezug auf die Reduktion und Bindung von Eisen 2) die Untersuchung von Synergien zwischen individuellen chemischen Prozessen im Rahmen der Eisenmobilisierung eisenhaltiger Phasen in Böden; 3) die Identifikation und Quantifizierung des Beitrags und Zusammenspiels zwischen chemischen und biologischen Prozessen in der Eisenaquisition durch pflanzlich ausgeschiedenen Reduktionsmitteln und Liganden in der Rhizosphäre. Dazu wurden acht falsifizierbare Hypothesen formuliert, die die Untersuchungen jeweils zweier österreichischer und deutscher Arbeitsgruppen strukturieren. Die Arbeitsgruppen bringen Expertise aus den Bereichen molekulare Pflanzenernährung, analytische Chemie, Rhizosphärenökologie und Biogeochemie ein. Sie werden Pflanzenausscheidungen aus hydroponischen- und Rhizosphärensystemen sammeln, Metall-Komplex Speziierung durch modern massenspek- trometrische Methodenbestimmen,die EisenbindungundRedoxreaktionenvon Wurzelausscheidungen untersuchen und thermodynamisch und kinetisch modellieren. Dieses Forschungsprojekt wird wichtige Wurzelausscheidungen identifizieren und deren Wirkmechanismus als Chelatoren, Reduktionsmittel und Redox-shuttles aufklären um ein wissenschaftliches Verständnis der Eiseneffizienz von Pflanzen zu schaffen und eine Grundlage für die Entwicklung rationaler, effizienter und umweltverträglicher Massnahmen für eine Verbesserung der pflanzlichen Eisenversorgung zu schaffen.

Zusammenfassung Forschungsprojekt: 'Interaktion komplexierender und reduzieren-der Wurzelexudate in der Eisenakquisition' Es geschieht nicht häufig, dass ein wichtiger neuer Nährstoffaufnahmemechanismus bei landwirtschaftlich genutzten Pflanzen entdeckt wird. Genau das ist aber vor einigen Jahren geschehen, als die Wurzelausscheidung sogenannter Coumarine durch Pflanzen unter Eisenmangel von einigen Wissenschaftlern, die auch im vorliegenden Projekt beteiligt waren, entdeckt wurde. Eisen ist ein essentieller Spurennährstoff für Pflanzen und pflanzliche Eisen-mangelernährung stellt ein weltweit verbreitetes landwirtschaftliches Problem dar, das signifikante Produktionsverluste und Kosten verursacht. Eisenmangel entsteht typischerweise in gut durchlüfteten karbonatischen Böden, in denen die Verfügbarkeit des Eisens durch die extrem niedrige Löslichkeit eisenhaltiger Phasen begrenzt ist. Pflanzen, die an solche Boden-verhältnisse adaptiert sind haben Eisenakquisitionsstrategien evolviert, die die Geochemie der Böden in direkter Umgebung der Wurzeln (d.h. in der Rhizosphäre) verändern, um die Eisenverfügbarkeit zu erhöhen. Eine solche Strategie ist die Ausscheidung von Liganden mit hoher Affinität für Eisen, die Ausscheidung von Liganden mit geringerer Affinität für Eisen sowie Protonen, oder die Reduktion von Eisen and der Wurzeloberfläche. Coumarine haben das Potential nicht nur als extrazelluläres Reduktionsmittel sondern auch als organische Liganden zu dienen. In diesem Kontext wurde die Ausscheidung und die Reaktivität von Coumarinen untersucht. In dem vorliegenden Projekt konnte die Wurzelausscheidung von coumarinen nicht nur unter hydroponischen Bedingungen sondern auch in Böden gezeigen und quantifiziert werden. Die Ausscheidungsraten nahmen mit abnehmender Verfügbarkeit des Eisens in kalkhaltigen Böden zu. Pflanzen, die keine Coumarine synthetisieren konnten, wuchsen nicht auf solchen Böden. Der Wirkmechanismus von Coumarinen, der zur Mobilisierung von Eisen führt, ist durchaus komplex. Während reduktive Auflösung von Eisenoxiden bei niedrigem pH dominierte, wurde ein gemischter reduktiver und liganden-kontrollierter Auflösungsmechanis-mus beobachtet, wobei das reduktiv gebildete Fe(II) einen autokatalytischen Effekt auf die ligandenkontrollierte Auflösung zeigte - womit eine sehr effiziente Eisenlösung ermöglicht wurde. Die reduktive Auflösung und der katalytische Effekt des Fe(II) auf die Auflösungrate wurde auch in Gegenwart von Sauerstoff beobachtet, da das Fe(II) durch Coumarine stabilisiert wurde. Dieses Forschungsprojekt hat einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der pflanzlichen Eisenaquisition geleistet. Es wurden Wurzelausscheidungen identifiziert, quantifiziert und deren Wirkmechanismus als Chelatoren und Reduktionsmittel aufgeklärt, um ein wissenschaftliches Verständnis der Eiseneffizienz von Pflanzen zu schaffen und eine Grundlage für die Entwicklung rationaler, effizienter und umweltverträglicher Massnahmen für eine Verbesserung der pflanzlichen Eisenversorgung zu schaffen.