Die Bedeutung der CO2-Fixierung von Leguminosenknöllchen für ihre Aktivität und Effizienz | The importance of nodule CO2 fixation for their activity and efficiency

In den vorliegenden Arbeiten wurden Versuche an Leguminosen (Pisum sativum L. und Medicago sativa L.) hinsichtlich des Einflusses der Knöllchen-CO2 Fixierung auf die N2 Fixierung durchgeführt. Es wurde gezeigt, dass die CO2 Fixierung von zentraler Wichtigkeit für die N2 Fixierung ist. Methodische Grundlage für diese Arbeiten war die Etablierung einer Gaswechselmessanlage, die relevante Gaswechselprozesse im Knöllchen-/Wurzelraum erfasst und vom Spross unabhängige Behandlungen des Wurzelraumes mit verschiedenen Gasgemischen ermöglicht. Das etablierte System mit folgenden Anwendungsmöglichkeiten wird beschrieben: (i) Messung der H2-Freisetzung als indirektes Maß für die N2 Fixierung, (ii) Messung der Sauerstoffaufnahme und CO2 Freisetzung der Wurzeln und Knöllchen im offenen Durchfluss, (iii) Langzeitapplikation von Gasen unterschiedlicher Zusammensetzung (Bsp. erhöhte CO2 Konzentration) zum Wurzelraum, (iv) Applikation von Isotopengasen (15N2 und 13CO2) in den Wurzelraum. Mittels 15N2 Applikation wurde die Wasserstofffreisetzungsmethode zur Bestimmung der N2 Fixierung verifiziert. Mit 93% der tatsächlichen N2 Fixierung zeigte das Verfahren eine sehr hohe Genauigkeit. Unter der Knöllchen CO2 Fixierung versteht man die Bindung von CO2 an Phosphoenolpyruvat an der Phosphoenolpyruvatcarboxylase (EC 4.1.1.31) im Zytosol von infizierten Zellen des Knöllchens. Das Resultat dieser Reaktion ist Oxalacetat, welches im Stoffwechsel des Knöllchens zwei wichtige Funktionen hinsichtlich der N2 Fixierung hat. Oxalacetat kann als Kohlenstoffgerüst für den N Einbau fungieren und zudem nach dem Umbau zu Malat als Energiequelle für den N2 Fixierungsprozess an der Nitrogenase dienen. Es konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass zwischen der CO2 Fixierung der Knöllchen und der N2 Fixierung ein enger Zusammenhang bestand. Regulationszustände erhöhter N2 Fixierung gingen mit einer erhöhten CO2 Fixierung einher. Außerdem wurde deutlich, dass die CO2 Fixierung ein interner Mechanismus sein kann, um in Phasen erhöhter N2 Fixierleistung (Hülsenfüllungsphase der Erbsen) den relativen Mangel an organischen Säuren zu kompensieren. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass eine erhöhte CO2 Konzentration im Wurzelraum von Luzerne ( Belüftung mit 2500 ppm versus Belüftung mit CO2-freier Luft) eine erhöhte CO2 Fixierung in den Knöllchen induziert. Diese erhöhte CO2 Fixierleistung resultierte in einer erhöhten N2 Fixierung der Pflanze, verbunden mit einem erhöhten Transport von Aminosäuren in den Spross. Eine erhöhte CO2 Konzentration im Wurzelraum zeigte weiterhin einen Einfluss auf die Knöllchenentwicklung: sie ging einher mit der Bildung von weniger aber größeren Knöllchen. Die mögliche Bedeutung dieser Ergebnisse für experimentelle Verfahren der Gaswechselmessungen im Kontext der N2 Fixierung sowie die Verbesserung der N2 Fixierungsleistung von Leguminosen für die landwirtschaftliche Nutzung werden diskutiert.

The present work reports results from experiments on the influence of CO2 fixation for the N2 fixation in root nodules of legumes (Pisum sativum L. and Medicago sativa L.). It was shown that the CO2 fixation is of key importance to the N2 fixation. The methodological basis for these studies was the establishment of a gas exchange measuring system that records the relevant gas exchange processes in the root nodule space/rhizosphere and that allows the treatment of the rhizosphere with various gas mixtures, without influencing the gas composition around the shoot. The established system with the following possible applications is described: (i) determination of the nitrogenase activity via H2 evolution measurement (ii) measurement of oxygen uptake and CO2 release by the roots and root nodules in an open flow, (iii) long term treatment with gases of mixed composition (for example increased CO2 concentration) compared with the rhizosphere, (iv) application of isotope gases (15N2 and 13CO2) into the rhizosphere. The hydrogen release method used to determine N2 fixation rates was verified with the application of 15N2. The method showed a very high precision, with measuring 93% of the actual N2 fixation. During CO2 fixation in the root nodules, CO2 is fixed at phosphoenolpyruvate at the phosphoenolpyruvat carboxylase (EC 4.1.1.31) in the cytosol of infected root nodule cells. The result of this reaction is oxaloacetate, which fulfils two important metabolic functions in the context of N2 fixation. Oxaloacetate may function as a carbon backbone for the N assimilation, or, after conversion to malate, it may serve as an energy source for the N2 fixation process at the nitrogenase. It could be shown here that there is a close relationship between CO2 fixation and N2 fixation of the root nodules. States of upregulated N2 fixation were coupled with states of increased CO2 fixation. It was found that CO2 fixation can be an internal mechanism that allows a compensation of a relative lack of organic acids in periods of increased N2 fixation activity (pod filling of pea plants). Furthermore, it was demonstrated that an increased CO2 concentration in the rhizosphere of alfalfa (aeration with 2500 ppm versus with CO2 free air) induces an increased CO2 fixation in the root nodules. This increased CO2 fixation activity resulted in an increased N2 fixation in the plant coupled with an increased transport of amino acids into the shoot. An increased CO2 concentration in the rhizosphere showed an influence on root nodule development: it induced the development of fewer but larger nodules. The potential significance of these results for experimental techniques of gas change measurement in the context of N2 fixation, as well as for improvements of N2 fixation performance of legumes for the agricultural practice are discussed.