Wurzelexsudation und die Biophysik der Rhizosphäre

• Antragsteller: Professor Dr. Andrea Carminati; Professor Dr. Yakov Kuzyakov
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 276325198

Um die Ernährung der steigenden Weltbevölkerung zu gewährleisten, wird die Pflanzenproduktion in der Zukunft gesteigert werden müssen. Eine Strategie, die Lebensmittelproduktion zu sichern und gleichzeitig knappe Ressourcen zu schonen, ist die Entwicklung und Nutzung von Pflanzen, die eine erhöhte Wasser- und Nährstoffeffizienz aufweisen. Die Rhizosphäre spielt eine entscheidende Rolle für die Wasser- und Nährstoffaufnahme der Pflanze: niedermolekulare Wurzelexsudate erhöhen die mikrobielle Aktivität und damit die Aufnahme von Nährstoffen, was sich positiv auf die Nährstoffeffizienz der Pflanze auswirkt. Unsere Hypothese ist, dass das Ausmaß zu dem Interaktionen zwischen Wurzelexsudaten und Mikroorganismen stattfinden können, von der Verteilung der Wurzelexsudate abhängt. Ziel ist es, zu verstehen, welche Faktoren die räumliche und zeitliche Verteilung der Wurzelexsudate in der Rhizosphäre beeinflussen. Wir werden untersuche welchen Effekt Wurzel-Mucilage auf die Verteilung der Wurzelexsudate hat. Mucilage ändert die wasserbezogenen Eigenschaften der Rhizosphäre im Vergleich zum Gesamtboden und kann ihren Wassergehalt erhöhen. Wir vermuten, dass: 1) Mucilage in feuchten Böden die Diffusion der Wurzelexsudate aufgrund ihrer Viskosität verringert, und diese dadurch in der Nähe der Wurzeloberfläche hält; 2) in trockenen Böden wird Mucilage den Wassergehalt der Rhizosphäre vermutlich erhöhen und die Diffusion der Wurzelexsudate erhöhen. Mit der Zeit unterliegt die Mucilage physikochemischen Änderungen, die das sogenannte Mucigel hervorbringen. Wir vermuten, dass die Diffusionsfähigkeit der Wurzelexsudate in der Rhizosphäre mit dem Alter des Mucigels abnimmt. Wir werden weiterhin testen, ob die Wasserflüsse in der Rhizosphäre die Verteilung der Wurzelexsudate beeinflussen und ob der Bodenwassergehalt die Menge der Rhizodeposition bestimmt. Im ersten Experiment wird der Einfluss von Wasseraufnahme und Bodenwassergehalt auf die Verteilung und Menge der Wurzelexsudate in der Rhizosphäre getestet. Im zweiten Experiment wird mithilfe von 14C Imaging und Neutronenradiographie die Verteilung von Wurzelexsudaten, Wasser und Mucilage entlang der Wurzel visualisiert und quantifiziert. Im dritten Experiment werden wir mithilfe eines vereinfachten Systems testen inwieweit Mucilage die Verteilung der Wurzelexsudate in der Rhizosphäre beeinflusst. Im vierten Experiment wird der mikrobielle Abbau von Wurzelexsudaten und Mucilage gemessen. Schließlich werden wir die Verteilung der Wurzelexsudate in der Rhizosphäre mithilfe eines numerischen Modelles simulieren. Die Verbindung von neuen experimentellen und computerbasierten Methoden wird es uns ermöglichen, die Interaktionen von Wurzelexsudaten und Mucilage im Boden zu entschlüsseln. Das wird zu einem verbesserten Verständnis von biochemischen und physikalischen Prozessen an der Schnittstelle von Wurzel und Boden führen, die ihrerseits die Effizienz der Wasser- und Nährstoffaufnahme der Pflanze beeinflussen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich(e): Professorin Dr. Michaela Dippold