Getreide im Allgemeinen und Reis im Besonderen sind die Hauptnahrungsquelle einer stetig wachsende Weltbevölkerung. Viele dieser Kulturen werden auf intensiv genutzten Feldern angebaut, denen regelmäßig Bodennährstoffe durch Düngung zugefügt werden müssen. Aufgrund der hohen Kosten und des Energiebedarfs, ist es notwendig zukünftig den Einsatz von Düngemittel zu beschränken und eine nachhaltigere Form der Landwirtschaft zu etablieren. Kulturpflanzen, die Nährstoffe effizienter als die derzeit verfügbaren Linien nutzen, können dazu beitragen, diese Ziele zu erreichen. Kalium (K+) ist der wichtigste kationische Nährstoff und sein Transport wurde intensiv an der Modellpflanze Arabidopsis untersucht. Über die Transportproteine, welche die K+ -Flüsse in Getreide bewirken, ist jedoch wenig bekannt. Unsere vorherige Studie hat wichtige Unterschiede in der Gewebelokalisierung und den Aktivierungsmechanismen von K+ -Effluxkanälen zwischen Reispflanzen und Arabidopsis gezeigt. Im vorgeschlagenen Projekt konzentrieren wir uns auf K+ -Effluxkanäle des Shaker-Typs und der HAK/KUP K+-Transporterfamilie, die den Kaliumtransport in Reispflanzen von der Wurzel zum Spross und innerhalb der Stoma-Komplexe der Blätter ermöglichen. Wir werden die Zelltypen identifizieren, welche die ausgewählten K+-Transportproteine exprimieren und Reispflanzen erzeugen, denen funktionelle Versionen dieser Proteine fehlen. Diese transgenen Linien werden bezüglich des Wachstums, Wasserverbrauchs und der Ertragsausbeute mit Wildtyp-Reispflanzen unter Gewächshaus- und Freilandbedingungen verglichen. Darüber hinaus werden wir die K+ -Effluxkanäle und -Transporter von Reis in Arabidopsis-Schließzellen und Xenopus-Oozyten exprimieren, um ihre biophysikalischen Eigenschaften wie Ionenselektivität und spannungsabhängige Aktivierung zu charakterisieren. Im Zentrum unserer Aufmerksamkeit steht die Rolle der ausgewählten K+-Kanäle und -Transporter im Xylem und bei der Stoma-Bewegung. Wir werden fluoreszenzmarkierte K+-Kanäle und Transporter verwenden, um zu untersuchen, ob die Transportproteine eine polare subzelluläre Lokalisation aufweisen. Zudem wird die Funktion dieser Transporter mit Einzelzellentechniken untersucht, bei denen ionenselektive Elektroden zum Einsatz kommen. Unsere Studie soll Einblicke zur spezifischen Rolle der K+ -Effluxkanälen und -Transportern auf zellulärer Ebene gewinnen und deren Bedeutung für das Wachstums der Reispflanzen unter Freilandbedingungen aufklären. Dieses Wissen wird für die Züchtung von Reissorten, die mit einem geringeren Bedarf an K+ -Dünger, bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung eines guten Nährstoffgehaltes, von großer Bedeutung sein. Nutzpflanzen mit solchen optimierten Eigenschaften werden wichtig sein, um eine nachhaltige Landwirtschaft und unseren zukünftigen Nahrungsmittelbedarf sicherzustellen.
Agarsysteme in industrialisierten Ländern stehen vor großen Herausforderungen: Sie sollen den zunehmenden Nahrungsmittelbedarf bei gleichzeitiger Reduktion von Umweltbelastungen durch Düngemittel decken. Der Einsatz synthetischer Stickstoff (N)-Düngemittel hat die Produktivität der landwirtschaftlichen Pflanzenproduktion erhöht. Jedoch führt die geringe Nutzungseffizienz von N-Düngemitteln zu N-Verlusten durch Nitratauswaschung und N-Emissionen und damit zur Belastung von Grundwasser und Atmosphäre. Die Entwicklung von Strategien zur Optimierung des Düngungsmangements und zur Verhinderung solcher N-Verluste stimmen mit einigen der „UN Strategic Development Goals“ (SDGs) überein, nämlich die globale Erwärmung zu verringern (SDG13), verantwortlich zu produzieren (SDG12), sauberes Wasser zu erhalten (SDG6) und die Biodiversität zu erhöhen (SDG15). Im CATCH-BNI Projekt wird das Potential von Zwischenfrüchten untersucht, Schlüsselfunktionen in der Regulation des N-Kreislaufs in Böden konventioneller und biologischer Landwirtschaft zu übernehmen. Der Nitrifikationsprozess, der Ammonium-N zu Nitrat-N oxidiert und durch Bodenbakterien und Pilze vermittelt wird, führt zu erhöhter Nitratauswaschung und fördert die anschließende Denitrifikation und Bildung von Treibhausgasen (NOx). Während die chemische Hemmung des Denitrifikationsprozesses sich als erfolgreiches Mittel etabliert hat, N-Verluste zu reduzieren, wurde kürzlich gezeigt, dass einige Pflanzenarten in der Lage sind, Wurzelabscheidungen mit nitrifikationshemmender Wirkung abzugeben. Diese biologischen Nitrifikationsinhibitoren (BNI) ermöglichen es, die Strategie der Nitrifikationshemmung unter geringem Kostenaufwand auf eine biologische und nachhaltige Landwirtschaft zu übertragen. In der Tat synthetisieren Zwischenfrüchte BNI, wie z.B. einige Brassicaceen Glucosinolate. Deren Sproßbiomasse kann nach Einarbeitung im Boden zu erhöhter Ammoniumakkumulation in der Bodenlösung führen. Im CATCH-BNI Projekt wird daher untersucht, welche Auswirkungen Zwischenfrüchte mit erhöhtem Potential zur Synthese und Abgabe von BNI auf das Nitrifikationspotential des Bodenmikrobioms haben. Vorrangiges Ziel von CATCH-BNI ist es, innovative Ansätze zu erarbeiten, die die Konversion von Ammonium in Nitrat verlangsamen, um die Ammoniumverfügbarkeit zugunsten verbesserter Ernährungsbedingungen zu erhöhen. Ziele sind i) Zwischenfruchtarten und -genotypen zu identifizieren, die hohe BNI-Aktivitäten in ihren Sproßgeweben oder Wurzelabscheidungen aufweisen, ii) nachzuweisen, wie stark sich N-Formen im Boden durch den Anbau von BNI-produzierenden Zwischenfruchtarten beeinflussen lassen, iii) Bedingungen zu finden, wie sich Ammonium in organischen Düngemitteln durch den Einsatz von Zwischenfrüchten oder deren Biomasse stabilisieren lässt, und iv) die entwickelten Innovationen unter Feldbedingungen zu validieren.