Mykorrhiza ist wahrscheinlich die wichtigste und am weitesten verbreitete biologische Symbiose auf der Erde. Man schätzt, dass 90 % der terrestrischen Pflanzenarten eine Mykorrhiza mit mindestens einer Pilzart eingehen. Die mykorrhizale Symbiose entstand vor etwa 450 Millionen Jahren, zeitgleich mit der Besiedlung des Landes durch Pflanzen: Es wird vermutet, dass Pflanzen ohne mykorrhizale Pilze das Land niemals erfolgreich besiedelt hätten. Heute übersteigt die Pilzbiomasse in landwirtschaftlichen und Waldböden die kombinierte Biomasse aller terrestrischen Tiere.

Die wichtigsten Arten der Mykorrhiza

Mykorrhiza wird basierend auf der Struktur der Assoziation in zwei Hauptkategorien eingeteilt: Arbuskuläre Mykorrhiza (AM oder AMF: Arbuscular Mycorrhizal Fungi): die am weitesten verbreitete Art, vorhanden bei etwa 80 % der Landpflanzen (Getreide, Hülsenfrüchte, die meisten Blütenpflanzen, viele tropische Waldarten). AM-Pilze gehören zum Stamm Glomeromycota. Charakteristisch: Pilzhyphen dringen in die Wurzelzellen der Pflanze ein und bilden verzweigte Strukturen namens Arbuskeln (woher der Name stammt), die der primäre Ort des Nährstoffaustauschs zwischen Pilz und Pflanze sind. Sie bilden keine sichtbare Scheide um die Wurzel. Sie vermehren sich nicht sexuell (sie haben sich 450 Millionen Jahre lang ohne Geschlecht entwickelt). Ektomykorrhiza (ECM): hauptsächlich in gemäßigten und borealen Wäldern vorhanden, mit Nadelbäumen (Kiefer, Tanne, Lärche) und einigen Laubbäumen (Eiche, Buche, Birke, Hasel, Pappel) assoziiert. ECM-Pilze gehören hauptsächlich zu den Stämmen Basidiomycota und Ascomycota: Sie umfassen viele essbare Pilze (Steinpilze, Trüffel, Pfifferlinge, Fliegenpilze). Charakteristisch: Pilzhyphen wickeln sich um die Außenseite der Wurzel und bilden eine Scheide (externe Bedeckung, die mit bloßem Auge als weiches Überzug der Wurzeln sichtbar ist). Sie dringen nicht in Wurzelzellen ein: Der Austausch findet im interzellulären Raum statt (das Hartig-Netz). Sie produzieren Fruchtkörper (oberirdische Pilze) zur sexuellen Vermehrung. Orchideen-Mykorrhiza (OM): spezifisch für Orchideen. Orchideen sind vollständig auf Pilze zur Keimung angewiesen (Orchideensamen haben keine Nährstoffreserven: Sie müssen von Pilzen besiedelt werden, um zu keimen) und oft für ihr ganzes Leben. Die Beziehung ist oft parasitär gegenüber dem Pilz (die Orchidee nimmt, ohne viel zurückzugeben).

Wie der Austausch in der mykorrhizalen Symbiose funktioniert

Der Pilz-Pflanzen-Austausch ist das Herzstück der mykorrhizalen Symbiose. Was der Pilz der Pflanze bietet: anorganisches Phosphor (Pi): der primäre Nährstoff, den Pilze liefern. Phosphor hat eine geringe Mobilität im Boden (er bindet sich an Tonpartikel und diffundiert nicht leicht zu Wurzeln). Pilzhyphen erreichen aufgrund ihrer Feinheit Bodenmikroporen, die für Wurzeln unzugänglich sind, und erfassen Phosphor, das dann durch spezifische Transporterproteine (PT-Proteine) an der Arbuskel-Zell-Schnittstelle in die Pflanze eindringt. Stickstoff: Bei einigen Arten der Symbiose (besonders in borealen ECM) liefert der Pilz auch organischen Stickstoff (Aminosäuren), auf den Pflanzen nicht direkt zugreifen können. Wasser: hydrophile Hyphen erhöhen die Wassereaufnahmefähigkeit der Pflanze enorm, besonders während Wasserstressperioden. Spurenelemente: Zink, Kupfer, Eisen in bioverfügbaren Formen. Schutz vor Krankheitserregern: Einige Mykorrhiza produzieren antimikrobielle Verbindungen, die Wurzeln vor Bodenpathogenen schützen. Was die Pflanze dem Pilz bietet: Kohlenhydrate (Zucker): hauptsächlich Saccharose und Glukose, die durch Photosynthese produziert werden. Mykorrhizapilze sind obligate Heterotrophen (sie können nicht photosynthetisieren): Sie sind vollständig auf die Pflanze für ihre Energie angewiesen. Die Pflanze überträgt 10–30 % ihrer Nettophotosynthese-Produktion auf den Pilz. Es ist ein erheblicher „Kostenfaktor", der durch Vorteile bei der Nährstoffaufnahme ausgeglichen wird. Lipide (in AM): jüngste Entdeckung (2017, Jiang et al., Science): Pflanzen mit AM übertragen Lipide (Fettsäuren) auf Pilze, nicht nur Zucker. AM-Pilze können Fettsäuren nicht selbst synthetisieren: Sie sind auf die Pflanze angewiesen. Diese Entdeckung klärte, warum AM-Pilze ohne eine Wirtspflanze nicht wachsen.

Mykorrhiza in der Landwirtschaft: ungenutztes Potenzial

Konventionelle landwirtschaftliche Praktiken schädigen Mykorrhiza schwer: Tiefpflügen zerstört Hyphen-Netzwerke, Fungizide töten mykorrhizale Pilze, überschüssiger Phosphor und chemischer Stickstoff reduzieren die Abhängigkeit der Pflanze von Pilzen (die Pflanze „entlässt" den Pilz, wenn sie ausreichend Nährstoffe aus Dünger hat). Das Ergebnis: In intensivem Ackerland ist der Gehalt an mykorrhizalen Pilzen um 50–90 % gegenüber Wäldern oder natürlichen Wiesen reduziert. Die Folgen: größere Abhängigkeit von chemischen Düngemitteln (ohne Pilze absorbieren Pflanzen weniger Nährstoffe aus dem Boden), reduzierte Trockenheitsresistenz (ohne Hyphen weniger Wassereaufnahme), größere Anfälligkeit für Krankheitserreger. Wie man Mykorrhiza in der Landwirtschaft wiederherstellt: kommerzielle Mykorrhiza-Impfstoffe: Formulierungen von AM-Pilzsporen oder ECM-Pilzen, die auf Samen, Sämlingswurzeln oder Boden während der Aussaat angewendet werden. Erhältlich von Unternehmen wie Symbiom, Inocucor, Mycorrhizal Applications. Bewiesene Wirksamkeit bei der Reduzierung des Phosphatdüngererfordernisses um 30–50 % bei geimpften Kulturen. Keine-Umbruch- oder Minimalumbruch-Landwirtschaft: Die Reduzierung des Pflügens bewahrt bereits im Boden vorhandene Hyphen-Netzwerke. Rotationen mit Hülsenfrüchten (Sojabohnen, Kichererbsen, Bohnen haben hohe AM-Abhängigkeit) erhalten den Bestand an mykorrhizalen Pilzen im Boden. Bodenbedeckung (Zwischenfrüchte): Die Aufrechterhaltung einer ganzjährigen Vegetationsbedeckung (auch nach der Ernte) mit Pflanzen, die Mykorrhiza bilden, bewahrt Pilznetzwerke während des Winters.

Die Trüffel: die wertvollste Mykorrhiza der Welt

Die Trüffel (Tuber spp.) ist ein ektomykorrhizaler Pilz, dessen unterirdischer Fruchtkörper (der unter der Erde wächst, nicht wie normale Pilze über der Erde) das teuerste Lebensmittel der Welt pro Kilogramm ist. Die begehrte weiße Trüffel (Tuber magnatum Pico), typisch für die zentral-nördlichen Apenninen Italiens (Alba, Acqualagna, San Miniato), kann Preise von 3.000–5.000 € pro Kilogramm erreichen. Die begehrte schwarze Trüffel (Tuber melanosporum), typisch für Umbrien und das französische Périgord, kostet 500–1.500 € pro Kilogramm. Der biologische Zyklus der Trüffel und die Mykorrhiza: Die Trüffel lebt in Symbiose mit bestimmten Baumarten (Haselnuss, Traubeneiche, Flaumeiche, Pappel, Linde für weiß; Flaumeiche, Zerreiche, Steineiche für schwarz) durch Ektomykorrhizen. Der unterirdische Fruchtkörper produziert Sporen, die von Tieren verbreitet werden, die ihn fressen (Wildschweine, Füchse, Dachse und der Trüffelhund für Menschen). Das Aroma der reifen Trüffel ist der Ausbreitungsmechanismus. Kultivierte Trüffelplantagen: Es ist möglich, Trüffeln zu „pflanzen", indem man die Wurzeln von Wirtspflanzen zum Zeitpunkt der Verpflanzung in spezialisierten Baumschulen mit Trüffelsporen inokuliert. „Trüffeltragende" Setzlinge werden dann in geeignete Böden gepflanzt. Die erste Trüffelproduktion wird typischerweise 5–15 Jahre nach der Verpflanzung erreicht (weiße Trüffel ist praktisch unmöglich zu kultivieren; schwarze zeigt bessere Ergebnisse auf kultivierten Trüffelplantagen). Italien ist der weltweit führende Trüffelproduzent (sowohl weiß als auch schwarz) und hält strenge Geheimhaltung über Sammelstellen.

Wie Mykorrhizen den Geschmack von Lebensmitteln beeinflussen

Mykorrhizen beeinflussen nicht nur die Menge, sondern auch die Qualität und den Geschmack von Agrarprodukten. Mykorrhiza-Tomaten: Studien zeigen, dass Tomaten, die mit AM angebaut werden, höhere Lycopingehalte (Antioxidans), lösliche Zucker (süßer), Vitamin C aufweisen als Tomaten, die ohne Pilze mit demselben chemischen Dünger angebaut werden. Der Grund: Mykorrhizen verbessern die Aufnahme von Mikronährstoffen (Zink, Bor, Kupfer), die Kofaktoren von Antioxidans-Syntheseenzymen sind. Erdbeeren und AM: Mykorrhiza-Erdbeeren zeigen höhere Anthocyaningehalte (rote Antioxidans-Pigmente) und Vitamin C sowie längere Haltbarkeit nach der Ernte (Mykorrhizen verbessern die Fleischkonsistenz). Basilikum: Basilikumpflanzen mit AM produzieren mehr ätherische Öle (Linalool, Eugenol, Estragol): aromatischer. Weinrebe: Mykorrhiza-Weinreben zeigen Veränderungen in den Weinaromaprofilen (vorläufige Studien: verschiedene Sorten von Terpenen und Polyphenolen). Dies eröffnet ein Forschungsgebiet zum „mikrobiellen Terroir" von Wein. Auswirkungen auf den ökologischen Landbau: Der ökologische Landbau (der keine löslichen Phosphatdünger verwendet) neigt dazu, robustere Mykorrhiza-Netzwerke im Vergleich zur konventionellen Landwirtschaft zu bewahren. Dies könnte erklären, warum viele Bio-Produkte sensorische Profile (Geschmack, Aroma) aufweisen, die als überlegen wahrgenommen werden, über dokumentierte Nährwertmerkmale hinaus.

Mykorrhiza-Pilze und Klimawandel: eine kritische Beziehung

Mykorrhiza-Netzwerke sind eine kritische Komponente des globalen Kohlenstoffkreislaufs und der Ökosystemreaktion auf den Klimawandel. Kohlenstoffsequestrierung: Mykorrhiza-Pilzhyphen sind reich an Glomalin (ein Glykoprotein, das von AM-Pilzen produziert wird): Es wird geschätzt, dass Glomalin 30–40 % des gesamten organischen Kohlenstoffs des Bodens enthält. Es ist einer der größten terrestrischen organischen Kohlenstoffbestände. ECM-Pilze in borealen und gemäßigten Wäldern sequestrieren enorme Mengen Kohlenstoff durch ihren Stoffwechsel und ihre Nekromasse (tote Hyphen). Reaktion auf Erwärmung: Die Klimaerwärmung verändert die Zusammensetzung von Mykorrhiza-Gemeinschaften: Einige Pilzarten vertragen Hitze, andere nicht. Veränderungen in Mykorrhiza-Gemeinschaften können die Fähigkeit von Waldökosystemen, Kohlenstoff zu sequestrieren und Dürre zu widerstehen, verändern. Dürre und AM: Dürre reduziert die AM-Aktivität, aber Pflanzen, die robuste AM-Netzwerke bewahren, widerstehen Wasserstress besser (Hyphen greifen auf Wasser in Bodenporen zu, die für Wurzeln unzugänglich sind). Mykorrhiza-Inokulierung ist auch eine Anpassungsstrategie an zunehmende Dürre in der Landwirtschaft. Waldbrände und CMN: Waldbrände zerstören Boden-CMN (besonders in flachen Böden). Die Geschwindigkeit der CMN-Erholung nach einem Brand hängt von Fragmenten angrenzender intakter Wälder (Inokulum-Quelle) und dem Vorhandensein überlebender Wirtspflanzen ab.