„Man braucht Strahlung, die den Boden durchdringt“

Welt der Physik: Sie und Ihr Team beschäftigen sich mit der Symbiose von Pflanzen und Pilzen. Wie genau kann man sich diese vorstellen?

Henri Braunmiller

Henri Braunmiller: Symbiose heißt erst einmal nur, dass Organismen räumlich nah zusammenleben. Bei einer Symbiose aus Pilzen und Pflanzen wachsen die Pilze sowohl in den Boden als auch in die Pflanzen hinein. Wir interessieren uns für die sogenannten Mykorrhizapilze, die in feine Pflanzenwurzeln, unter anderem von Tomatenpflanzen, hineinwachsen. Sie schaden den Pflanzen jedoch nicht – stattdessen liefern sie Nährstoffe und Wasser. Im Gegenzug bekommen sie Zucker und Fette von den Pflanzen und können somit nur in der Symbiose überleben. Genau diese Vorteile für beide Partner sind es, warum wir uns die Symbiose genauer anschauen wollten – in unserem Fall zwischen Mykorrhizapilzen und Tomatenpflanzen. Denn wenn es einen Vorteil für die Pflanzen gibt, dann vielleicht auch für die Landwirtschaft.

Wie sieht so ein Pilznetzwerk aus und wie lässt sich die Symbiose mit den Pflanzen untersuchen?

Pilzgeflechte im Boden bestehen aus feinen Fäden. Sie sind durchsichtig und sehr dünn – ihre Dicke kann zwischen einem hundertstel und sogar einem tausendstel Millimeter variieren. Das größte Hindernis bei der Analyse der Netzwerke stellt der Boden dar. Denn er selbst ist nicht durchsichtig, sondern voller Mineralien und organischem Material. Bislang musste deshalb das Pilzgeflecht aus einer Bodenprobe gewaschen werden, um es dann mit einem Mikroskop untersuchen zu können. Dabei verliert man jedoch wichtige Informationen darüber, wie die Pilze und Pflanzen im Boden verwachsen sind. Ein anderer Ansatz ist, die Pilze direkt in Petrischalen zu züchten. In diesen sind die Geflechte zwar direkt sichtbar, zeigen jedoch nicht das natürliche Verhalten im Boden.

Man benötigt also eigentlich eine Methode, mit der man in den Boden hineinsehen kann?

Ja genau, aber mit sichtbarem Licht kommt man da nicht weit – man braucht also eine Strahlung, die den Boden durchdringen kann, wie etwa Röntgenstrahlung. Um größere Strukturen im Boden zu untersuchen, nutzen Forschende schon länger sogenannte Computertomographen, also CTs. Dabei werden aus vielen verschiedenen Winkeln mithilfe von Röntgenstrahlung zahlreiche Aufnahmen gemacht. Aus diesen lässt sich wiederum am Computer ein dreidimensionales Bild rekonstruieren. Theoretisch können die CTs die Pilzfäden zwar auflösen, jedoch nicht beliebig tief im Boden, da die Mineralpartikel im Boden den Großteil der Röntgenstrahlung absorbieren. Man kann also nicht einfach einen Blumentopf in den CT stellen.

Messungen an der Synchrotronquelle SOLEIL

Wie haben Sie und Ihr Team dieses Problem jetzt gelöst?

Wir haben eine neue Messmethode entwickelt und nutzen kleine Röhrchen, in die der Pilz und auch die Pflanze hineinwachsen können. Diese Röhrchen konnten wir dann samt Inhalt herausnehmen und so eine CT-Aufnahme der Pilzfäden und Pflanzenwurzeln mit dem Boden machen. Außerdem benutzen wir keinen herkömmlichen Computertomographen.

Was bedeutet das?

Herkömmliche CTs, die denen in Krankenhäusern ähneln, können zwar teilweise die benötigte Auflösung erreichen. Doch die Strahlungsmenge, die von der Röntgenröhre solcher CTs produziert wird, ist zu gering. Deswegen würde eine Aufnahme sehr lange dauern – etwa vier bis sechs Stunden. Allerdings würde innerhalb von wenigen Stunden nicht nur der Boden austrocknen und schrumpfen, sondern die Pilze und Pflanzen würden in der Zeit weiterwachsen. Das ist ein Problem, da sich während einer Aufnahme nichts bewegen darf. Je schneller die Aufnahme gelingt, desto schärfer wird also das Bild. Deshalb arbeiten wir mit einem CT, das Synchrotronstrahlung zur Bildgebung nutzt.

Was genau ist Synchrotronstrahlung und warum ist sie in diesem Fall besser geeignet?

Synchrotronstrahlung ist eine spezielle Form der Röntgenstrahlung und entsteht in Teilchenbeschleunigern, den namensgebenden Synchrotrons. In solchen Synchrotronquellen bewegen sich Elektronen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf einer Kreisbahn und geben dabei Strahlung im Röntgenbereich ab. Die Menge dieser Strahlung ist viel größer als bei klassischen CTs, wodurch sich ein Bild viel schneller aufnehmen lässt – oft schon in zehn Minuten. Zusätzlich ist der Wellenlängenbereich deutlich schmaler als bei einem klassischen CT. Dadurch können wir zusätzlich auch den sogenannten Phasenkontrast nutzen, um die Pilznetzwerke zu untersuchen.

Das müssen Sie einmal genauer erklären.

CT-Aufnahme

Bei einem herkömmlichen CT entsteht das Bild vereinfacht gesagt dadurch, dass unterschiedliche Materialien die Röntgenstrahlung unterschiedlich stark abschwächen: Je nach Dichte und Zusammensetzung eines Materials, dringt unterschiedlich viel Strahlung hindurch. Aufgrund der speziellen Eigenschaften der Synchrotronstrahlung lässt sich für die Bildgebung aber eben noch der Phasenkontrast nutzen. Dabei nutzt man aus, dass sich Materialien – abhängig von ihrem Brechungsindex – unterschiedlich auf bestimmte Eigenschaften der Röntgenstrahlung auswirken. Insbesondere an den Rändern der Materialien wird so der Kontrast verstärkt. Wird zum Beispiel ein Bodenpartikel belichtet, sieht man im CT-Bild einen verstärkten Rand. Wir haben diese Absorptions- und Phasenkontraste am Synchrotron SOLEIL in der Nähe von Paris gemessen.

Und wie haben Sie aus den gemessenen Daten ein 3D-Modell des Pilz-Netzwerks erstellt?

Bei einer CT-Aufnahme liefert der gemessene Kontrast ein Bild aus unterschiedlichen Grauwerten: Der Boden hat beispielsweise eine sehr hohe Dichte – lässt also wenig Strahlung durch – und bekommt damit hohe Grauwerte zugeordnet, die im Bild sehr hell erscheinen. Luft hingegen hat eine geringe Dichte und erhält damit auch geringe Grauwerte, die sich im Bild fast schwarz zeigen. Um daraus dann ein 3D-Modell zu erzeugen, müssen die einzelnen Strukturen im CT-Bild korrekt identifiziert werden. Luft und Boden lassen sich dabei noch gut voneinander unterscheiden. Schwieriger wird es bei Wasser, den Wurzeln und den Pilzfäden, da sich ihre Dichten ähneln. Hierfür nutzen wir sogenannte morphologische Kriterien, also Merkmale, die sich aus ihrem Aussehen ergeben. Eine Wurzel lässt sich beispielsweise daran erkennen, dass sie deutlich dicker ist als ein Pilzfaden. Allerdings bilden die Wurzeln selbst auch feine Härchen aus, die dann den Pilzfäden ähneln. Wir haben teilweise Künstliche Intelligenz zum Identifizieren genutzt und die Ergebnisse anschließend noch einmal von Menschen überprüfen lassen.

Was ist bei der Auswertung herausgekommen?

3D-Modell der Symbiose

Wir sind noch dabei, die unglaublich große Datenmenge auszuwerten. Dennoch haben wir uns bereits das Netzwerk aus Pilz und Pflanzen in drei Dimensionen angeschaut. Dabei haben wir beobachtet, wie inhomogen die Pilzgeflechte sind, da die Nährstoffe im Boden ungleich verteilt sind: An manchen Stellen bildet der Pilz sehr viel Geflecht aus, weil dort viele Nährstoffe vorhanden sind, an anderen wächst nur ein einzelner Faden durch einen größeren Bereich. Außerdem orientiert sich der Pilz an den Pflanzenwurzeln und optimiert sein Netzwerk abhängig von ihnen. Durch seine Pilzfäden verbindet er dabei die Pflanzenwurzeln mit dem Boden.

Sind die neuen Erkenntnisse für die Landwirtschaft relevant, so wie Sie es sich erhofft haben?

Ja, denn die Idee ist, solche Pilze gezielt einzusetzen, um Pflanzen besser mit Nährstoffen und Wasser zu versorgen. Dafür haben wir mithilfe unseres 3D-Modells simuliert, wie sich die Wasser- und Nährstoffflüsse in den Böden verhalten – einmal mit und einmal ohne Pilznetzwerk. Dabei zeigt sich, dass der Pilz den Nährstofffluss vor allem in einem mittleren Feuchtebereich optimiert, also weder in sehr nassen noch in sehr trockenen Böden. Diese Mechanismen zu verstehen, ist gerade im Hinblick auf den Klimawandel mit häufigeren Hitzesommern und Dürren relevant. Die untersuchte Symbiose könnte gezielt genutzt werden, um Pflanzen resistenter zu machen und die Aufnahme von Nährstoffen zu erhöhen.