Die Sojabohne zählt zu den bedeutendsten Nutzpflanzen der Welt. Seit Jahrtausenden wird sie kultiviert; heute dient sie vor allem als Nahrungsmittelquelle und eiweißreiches Futtermittel und ist ein wichtiger Modellorganismus für die Erforschung von Wurzelsymbiosen. Jedes Jahr werden weltweit über 400 Millionen Tonnen Sojabohnen geerntet; die größten Anbauländer sind Brasilien, die USA und Argentinien. Vor etwa 6.000 bis 9.000 Jahren wurde sie in Ostasien aus ihrer Wildform (Glycine soja) domestiziert.

Eine Partnerschaft unter der Erde. Jede Pflanze benötigt Stickstoff, um zu wachsen. Etwa 78 Prozent unserer Atmosphäre bestehen aus Stickstoff, allerdings in elementarer Form, welche Pflanzen nicht nutzen können. Gehen Sojapflanzen eine Symbiose mit Bradyrhizobien ein, so können sie von ihnen stickstoffhaltige Verbindungen erhalten. Diese kann die Pflanze dann für ihr Wachstum und den Aufbau von DNA und Proteinen verwenden. Im Gegenzug bildet die Sojapflanze mithilfe des Sonnenlichts energiereiche Photosyntheseprodukte, die sie zum Teil an die Bakterien weitergibt.

Bradyrhizobium. In der Symbiose leben die Bradyrhizobien nicht frei im Boden, sondern im Inneren der sogenannten Wurzelknöllchen. Diese speziellen Verdickungen der Wurzel bilden sich, um die Bakterien zu beherbergen und Bedingungen zu schaffen, in denen diese Stickstoff aus der Atmosphäre umwandeln können. Diese Reaktion ist allerdings sehr sauerstoffempfindlich. Das Protein Leghämoglobin bindet im Inneren des Wurzelknöllchens den Sauerstoff und ermöglicht so, dass die Bradyrhizobien Stickstoff fixieren können. Gleichzeitig verleiht es aktiven Wurzelknöllchen ihre charakteristische rosa Färbung.

Besiedelung. Signalaustausch: Die Sojabohnenwurzel gibt Signalstoffe in den Boden ab, die Bradyrhizobien erkennen diese Signale und antworten ebenfalls mit eigenen Signalstoffen. Wurzelhaar wächst und krümmt sich: Das Wurzelhaar wächst gezielt in Richtung der Bradyrhizobien, bis es sich um sie krümmt und diese einschließt. Infektionsschlauch entsteht: Im Inneren des Wurzelhaares bildet die Pflanze einen Schlauch, der von der Wurzelhaarspitze bis in die Wurzel wächst; die Bradyrhizobien vermehren sich darin und gelangen so in das Innere der Wurzel. Wurzelknöllchen bildet sich: Die Pflanze bildet dort ein neues Organ, in dem die Bradyrhizobien in die Pflanzenzellen aufgenommen werden, sich vermehren und die Pflanze mit stickstoffhaltigen Verbindungen zu versorgen beginnen.

Stickstofffixierung. Bradyrhizobien können den elementaren Stickstoff (N₂) aus der Luft für Pflanzen nutzbar machen. Mithilfe eines Enzyms namens Nitrogenase wird er in pflanzenverfügbares Ammonium (NH₄⁺) umgewandelt. Diesen Vorgang nennt man Stickstofffixierung.

Die Partnerschaft zwischen Pflanzen und Rhizobien kann eine nachhaltige Landwirtschaft stärken und die Erreichung mehrerer UN-Nachhaltigkeitsziele unterstützen.

Ziel 2 (Kein Hunger): Die Symbiose versorgt Leguminosen mit biologisch fixiertem Stickstoff und trägt so zu Ernährungssicherheit bei.

Ziel 6 (Sauberes Wasser und Sanitärversorgung): Weil der Stickstoff pflanzennah und bedarfsgerecht bereitgestellt wird, verringert sich die Nitrat-Auswaschung ins Grund- und Oberflächenwasser im Vergleich zu mineralischer Düngung.

Ziel 12 (Nachhaltiger Konsum und nachhaltige Produktion): Die Symbiose kann synthetische Stickstoffdünger teilweise ersetzen, deren Herstellung fossil-energieintensiv ist.

Ziel 13 (Maßnahmen zum Klimaschutz): Die Stickstofffixierung in Knöllchen vermeidet einen Teil der Treibhausgasemissionen aus Produktion und Einsatz von Mineraldünger, insbesondere Lachgas (N₂O).

Ziel 15 (Leben an Land): Die Symbiose erhöht die Bodenfruchtbarkeit und senkt den Bedarf an bodenschädigender Überdüngung.

Hülsenfrüchtler (Leguminosen) können mit Bodenbakterien der Gruppe der Rhizobien eine Symbiose eingehen. Die Ausstellung zeigt sie am Beispiel der Sojabohne (Glycine max) und der Gattung Bradyrhizobium. Soja gehört neben Mais, Weizen und Reis zu den wichtigsten Kulturpflanzen der Welt; jedes Jahr werden weltweit über 400 Millionen Tonnen geerntet, die größten Anbauländer sind Brasilien, die USA und Argentinien. Vor etwa 6.000 bis 9.000 Jahren wurde sie aus ihrer Wildform (Glycine soja) domestiziert; archäologische und genetische Untersuchungen deuten darauf hin, dass dies in Nordchina begann.

Wie alle Kulturpflanzen benötigt Soja große Mengen Stickstoff für gesundes Wachstum und hohe Erträge. Etwa 78 Prozent der Erdatmosphäre bestehen aus Stickstoff, allerdings in elementarer Form, die Pflanzen nicht direkt nutzen können. Sojapflanzen können jedoch eine Symbiose mit Bradyrhizobien eingehen und von ihnen stickstoffhaltige Verbindungen erhalten, die sie für ihr Wachstum und den Aufbau von DNA und Proteinen verwenden. In der Gegenrichtung gibt die Pflanze einen Teil der energiereichen Photosyntheseprodukte an die Bakterien ab.

In der Symbiose leben die Bradyrhizobien nicht frei im Boden, sondern im Inneren der Wurzelknöllchen. Diese Verdickungen der Wurzel beherbergen die Bakterien und schaffen die Bedingungen, unter denen sie Stickstoff aus der Atmosphäre umwandeln können. Mithilfe des Enzyms Nitrogenase wird elementarer Stickstoff (N₂) in pflanzenverfügbares Ammonium (NH₄⁺) überführt — diesen Vorgang nennt man Stickstofffixierung. Die Reaktion ist sehr sauerstoffempfindlich. Das eisenhaltige Protein Leghämoglobin bindet den Sauerstoff im Inneren des Knöllchens und verleiht aktiven Wurzelknöllchen zugleich ihre charakteristische rosa bis rötliche Färbung.

Die Besiedelung verläuft in vier Schritten. Die Sojabohnenwurzel gibt Signalstoffe in den Boden ab; die Bradyrhizobien erkennen diese Signale und antworten mit eigenen Signalstoffen. Ein Wurzelhaar wächst in Richtung der Bakterien, krümmt sich um sie und schließt sie ein. In seinem Inneren entsteht ein Infektionsschlauch, der von der Wurzelhaarspitze bis in die Wurzel wächst; die Bradyrhizobien vermehren sich darin und gelangen so ins Wurzelinnere. Dort bildet die Pflanze das Wurzelknöllchen als neues Organ, nimmt die Bakterien in ihre Zellen auf, und die Versorgung mit stickstoffhaltigen Verbindungen beginnt.

Soja gehört zu den am besten untersuchten Nutzpflanzen und dient als Modellorganismus; viele der an ihr gewonnenen Erkenntnisse können auch auf andere Pflanzen übertragen werden. Die beiden mikroskopischen Aufnahmen an dieser Station zeigen allerdings nicht Soja, sondern den Japanischen Hornklee (Lotus japonicus) mit Mesorhizobium loti und eine Bohne — beides ebenfalls Hülsenfrüchtler.