Die Biogeochemie der Phytosiderophore in der Rhizosphäre

Phytosiderophore (PS) werden als Wurzelausscheidungen von Gräsern in die Rhizosphäre abgegeben und sind extrem effiziente Komplex-Bildner mit Eisen (Fe). Diese Form der Fe-Mobilisierung wird als "Strategie II" bezeichnet und bewirkt, dass Gräser, zu denen die wichtigsten Nahrungsmittelpflanzen der Menschheit zählen (Weizen, Reist, etc.) mehr Fe im Boden mobilisieren können als andere Pflanzen und dadurch weniger von Fe- Mangel betoffen sind. Studien zur Ausscheidung und Wirkung von PS wurden fast ausschließlich in Nährlösungskulturen durchgeführt, daher ist über die tatsächliche Konzentration im Boden und die genaue Wirkungsweise sowie möglichen Verluste durch Adsorption an der Bodenfestphase bzw. durch mikrobiellen Abbau sehr wenig bekannt. Die Ziele dieses Projektes sind daher: (i) genaue Aufklärung der tatsächlichen Konzentration von PS im Rhizosphärenboden; (ii) Aufklärung der genauen Wirkungsweise sowie der Verluste von PS durch Adsorption an der Bodenmatrix und durch mikrobiellen Abbau (iii) Entwicklung neuer analytisch-chemischer Methoden zur Bestimmung der Konzentration von freien und komplexierten PS (iv) Untersuchung einer möglichen Veränderung der Fe-Mobilisierung von Strategie II zu einem Strategie I- ähnlichen Mechanismus bei Reis unter sinkendem Redox-Potential im Boden (v) Mathematische Modellierung der Mobilisierung und der Aufnahme von Fe Die Untersuchung der oben genannten Punkte bietet die Vorraussetzung für neue Einblicke zur genauen Wirkung von PS im Boden, zur Quantifizierung der PS-induzierten Fe-Löslichkeit und zur Bestimmung der limitierenden Prozesse bei der Fe-Mobilisierung und damit der Verfügbarkeit für die Pflanzen. Die Aufklärung der thermodynamischen und kinetischen Schlüsselprozesse der Fe-Mobilisierung durch PS wird zu einem besseren Verständnis der genauen Wirkungsweise von PS bringen. Erkenntnisse auf diesem Gebiet können in Folge dazu beitragen, dass bestehende Probleme mit der Fe-Versorung des Menschen in weiten Teilen der Welt gelöst werden können.

Phytosiderophore (PS) sind eine spezielle Form von Wurzelausscheidungen, die nur von Pflanzen aus der Familie der Gräser abgegeben werden. Diese Substanzen bilden in der Bodenlösung stabile Komplexe mit Eisen und leisten somit einen wesentlichen Beitrag zur Eisenversorgung der Pflanze. Neben Eisen werden auch andere Mikronährstoffe, wie z.B. Zink und Kupfer, komplexiert. Fast alle früheren Untersuchungen zur Exsudation von PS wurden in Nährlösungskulturen durchgeführt, daher war über die Exsudationsraten und die tatsächlichen Konzentrationen in der Bodenlösung nichts bekannt. Das Ziel dieses Projektes war die Bestimmung der PS-Abgaberate in verschiedenen Böden und die tatsächliche Konzentration im Wurzelraum der Pflanzen. Dafür war einerseits die Entwicklung von geeigneten chemisch-analytischen Methoden, andererseits die Synthese von PS bzw. von radioaktiv markierten PS-Molekülen notwendig. Auf Basis der experimentell bestimmten Daten wurde die Mobilisierungswirkung hinsichtlich Eisen und anderer Mikronährstoffe mit mathematischen Modellen verifiziert.Mit Hilfe eines neu entwickelten Ansatzes zur Gewinnung von Wurzelausscheidungen wurde festgestellt, dass die Abgaberate für PS ca. 50 mal niedriger war als bislang angenommen. Das impliziert dass die Investition von Energie und Kohlenstoff zur Eisenmobilisierung viel geringer ist als ursprünglich vermutet wurde. Darüber hinaus wird ein Teil der abgegebenen PS von Mikroorganismen abgebaut und steht daher für eine Mobilisierung von Fe nicht zur Verfügung. Hier zeigte sich, dass die Mikroorganismen in unmittelbarer Nähe zu den Wuzeln die PS schneller abbauen als im weiter von den Wurzeln entfernten Boden.Extraktionsversuche und mathematische Modellierung zeigten, dass die Mobilisierung von Eisen durch konkurrierende Ionen, z.B. Kupfer, deutlich verringert werden kann. Weiters zeigte sich, dass vor allem bei höheren PS-Konzentrationen vermehrt andere Elemente als Eisen mobilisiert werden.Alle experimentellen Ansätze zur Bestimmung von PS-Abgaberaten und Bodenlösungs-konzentrationen wurden erst durch die Entwicklung von chemisch-analytischen Methoden ermöglicht. In diesem Kontext konnte eine empfindliche, genaue und robuste massenspektrometrische Methode für die Untersuchung von Metallkomplexen in Boden- und Pflanzenproben innerhalb der Rhizosphärenforschung entwickelt werden. Die 2-Deoxymugeinsäure konnte zum ersten Mal in Bodenproben aus kontrollierten Pflanzenexperimenten quantitativ bestimmt werden. Somit ermöglichen die analytischen-chemischen Entwicklungen des Projektes die Durchführung von Experimenten, die signifikant zum besseren Verständnis des Eisenmetabolismus Pflanzen, die Eisen in komplexierter Form aufnehmen, beitragen.