Die Holobiont-Revolution: Wie Weizen durch naturbasierte Pflanzenzüchtung und Machine Learning klimaresilienter wird

Stickstoffdünger in der Landwirtschaft trägt erheblich zur Klimaerwärmung bei. Ein neues Züchtungskonzept, speziell für Weizen, könnte eine Verringerung der Stickstoffdüngung ermöglichen. Dieses Holobiont-Prinzip stellt die komplexen Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Bodenmikrobiomen ins Zentrum der Pflanzenzüchtung. In Kombination mit Machine Learning könnten so neue Weizenvarianten, aber auch andere Nutzpflanzen, eingesetzt werden, die resilienter gegen den Klimawandel sind und zur Bodengesundheit beitragen. Zwei aktuelle Studien unter der Leitung von Wolfram Weckwerth von der Universität Wien erscheinen dazu in den Journals Plant Biotechnology und Trends in Plant Science.

Um die globale Versorgung mit Lebensmitteln und Tierfutter zu gewährleisten, setzt die intensive Landwirtschaft auf Stickstoffdünger. Jedoch gelangt über die Hälfte der jährlich ausgebrachten Stickstoffmenge ungenutzt in die Atmosphäre und in Gewässer. Diese Verluste verursachen Probleme wie Luft- und Wasserverschmutzung, Bodenversauerung, Klimawandel, Zerstörung der stratosphärischen Ozonschicht und Rückgang der Artenvielfalt. Die Reduktion dieser Stickstoffverluste könnte daher nicht nur wirtschaftliche Vorteile bringen, sondern auch die menschliche Gesundheit verbessern und einen Beitrag zur Bewältigung des Klimawandels leisten. 

Das Holobiont-Konzept: Pflanzen und Mikroben gemeinsam denken

Wolfram Weckwerth betont, dass eine nachhaltige Verbesserung der Ertragsstabilität und Widerstandsfähigkeit von Nutzpflanzen nicht allein auf die Pflanzen fokussieren sollte, sondern auch auf das Mikrobiom rund um Wurzeln und Blätter. Er erklärt: "Die Evolution der Pflanzen wird maßgeblich durch die Interaktion mit Mikroorganismen bestimmt, dennoch ist die Ökologie des Pflanzen-Holobionten auf molekularer Ebene kaum erforscht. Diese Beziehungen bieten jedoch enorme Vorteile für eine nachhaltige Landwirtschaft als naturbasierte Lösung. Unser Ziel ist es, die pflanzeneigenen Prozesse zu verstehen und jene Sorten zu identifizieren, die sogenannte biologische Nitrifikationsinhibitoren (BNIs) produzieren und über die Wurzeln abgeben."

Weizen als natürliche Bremse für Stickstoffverluste

In einer aktuellen Studie hat das internationale Team das Potenzial verschiedener Weizensorten zur BNI-Produktion untersucht. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche natürliche Variation der BNI-Aktivität unter den untersuchten Elite-Weizenlinien. "Unsere Analyse der Wurzelausscheidungen – komplexe Verbindungen, die vom Wurzelsystem der Weizensorten freigesetzt werden – zeigt erhebliche Unterschiede zwischen den Sorten", erklärt Arindam Ghatak, Erstautor der Studie. "Diese fördern oder hemmen spezifische Mikrobiom-Zusammensetzungen und erlauben die Auswahl von Linien mit besonders hoher BNI-Aktivität." Durch den Einsatz dieser spezifischen Sorten könnten Landwirt*innen künftig deutlich weniger Stickstoffdünger einsetzen. Ein entscheidender Schritt gegen die Störung des globalen Stickstoffkreislaufs durch den Menschen.

Datengestützte Pflanzenzüchtung für eine nachhaltige Zukunft

Um dieses naturbasierte Konzept effektiv zu nutzen, hat ein internationales Forscher*innenteam unter der Leitung von Wolfram Weckwerth vom "Molecular Systems Biology (MOSYS) Lab" und dem "Archaea Biology and Ecogenomics Lab" der Universität Wien ein neues Züchtungskonzept entwickelt. Unterstützt durch Partnerinstitutionen in Griechenland, Australien, Indien, Japan, Kanada, den USA und Mexiko stellt das Holobiont-Konzept die komplexen Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Bodenmikrobiomen ins Zentrum der Pflanzenzüchtung. Mithilfe eines innovativen datengestützten Arbeitsmodells werden Pflanzengenetik, Mikrobiomforschung und PANOMICS-Technologien kombiniert, um hochdurchsatzfähige Daten zu erzeugen.

"In Kombination mit Machine-Learning-Algorithmen eröffnet das eine vielversprechende Züchtungsplattform, um neue Weizenvarianten – und andere Nutzpflanzen – mit großem Potential, aber auch hoher Resilienz gegen Klimaveränderungen und erhöhter Bodengesundheit zu erzeugen", so Weckwerth. Das Holobiont-Konzept markiert damit einen Paradigmenwechsel: Es verbindet Ökologie, Systembiologie und Züchtungstechnologie, hebt die enge Verflechtung ökologischer Systeme hervor und eröffnet so neue Wege für eine ressourcenschonende Landwirtschaft.


Originalpublikationen: 

Arindam Ghatak, Alexandros E. Kanellopoulos, Cristina López-Hidalgo, Andrea Malits, Yuhang Meng, Florian Schindler, Shuang Zhang, Jiahang Li, Steffen Waldherr, Hugo Ribeiro, Melina Kerou, Logan H. Hodgskiss, Maximilian Dreer, Reyazul Rouf Mir, Sandeep Sharma, Gert Bachmann, Dimitrios G. Karpouzas, Christa Schleper, Evangelia S. Papadopoulou, Palak Chaturvedi, Wolfram Weckwerth: Natural variation of the wheat root exudate metabolome and its influence on biological nitrification inhibition activity. In Plant Biotechnology Journal, 2025. 
DOI: 10.1111/pbi.70248 

Wolfram Weckwerth; Palak Chaturvedi; Arindam Ghatak; Melina Kerou; Vanika Garg; Abhishek Bohra; Guntur V. Subbarao; Lisa Stein; Christa Schleper; Rajeev K. Varshney; Sieglinde Snapp: Natural variation of the holobiont for sustainable agroecosystems. In Trends in Plant Science, 2025. 
DOI: 10.1016/j.tplants.2025.05.006