Wirkung transgener T4-Lysozym-Kartoffeln auf Knöllchenbakterien

(1995 – 1999) Universität Rostock, Fachbereich Biologie, Abteilung Zellphysiologie

Thema

Zur Abwehr von phytopathogenen Bakterien, die bei Anbau und Lagerung von Kartoffeln erhebliche Schäden verursachen, wurden transgene Kartoffelpflanzen entwickelt.

Zur Erzeugung der Resistenz gegenüber Erwinia carotovora, dem Erreger der Knollennassfäule und der Schwarzbeinigkeit wurde das Gen für ein Lysozym aus dem Bakteriophagen T4 in das Pflanzengenom der Kartoffel übertragen. Lysozyme greifen die bakterielle Zellwand an und bewirken deren Auflösung (Lyse).

Ziel des Projektes war es zu klären, ob transgene Lysozym-Kartoffeln unter Freilandbedingungen nützliche Bakterien beeinflussen. Als Modell wurden Knöllchenbakterien eingesetzt. Diese besitzen die Fähigkeit den Luftstickstoff zu binden und sind deshalb in Symbiose mit Schmetterlingsblütlern (Leguminosen) wie Wicken von besonderer Bedeutung für die Landwirtschaft.

Zusammenfassung

Knöllchenbakterien (Rhizobium leguminosarum) reagieren in Laborversuchen sehr empfindlich auf T4-Lysozym. In Freilanduntersuchungen waren dagegen bei Leguminosen wie Wicken, die in direkter Nachbarschaft zu den Lysozym-Kartoffeln angebaut wurden, keine Beeinträchtigung in der Knöllchenbildung und Stickstoff-Fixierung festzustellen.

Versuchsbeschreibung

Vorversuche im Labor hatten gezeigt, dass T4-Lysozym Rhizobien stark hemmen kann. Außerdem wurden transgene Wicken hergestellt, die das T4-Lysozym selber bildeten und an diesen Pflanzen eine starke Verringerung der Knöllchenbildung festgestellt. Wicken sind natürlicherweise befähigt, mit Rhizobien eine Symbiose einzugehen, bei der der Luftstickstoff zum Nutzen der Wicken gebunden wird.

Ein kurzfristiges Eintauchen der Wickenwurzeln in Lysozym-Lösung zeigte dagegen keine Effekte auf die Knöllchenbildung (Nodulation).

Im vorliegenden Projekt sollte deshalb der Frage nachgegangen werden, ob Lysozym-Kartoffeln unter Freilandbedingungen einen nachteiligen Einfluss auf die Knöllchenbildung von Leguminosearten zeigen. Zu diesem Zweck wurden Wildtyp-Wicken in unmittelbarer Nähe zu transgenen Lysozym-Kartoffeln angepflanzt und die Knöllchenbildung der Wicken ausgewertet.

Bestimmung der Nodulation

Anzahl und Morphologie der neu gebildeten Wurzelknöllchen wurden zu verschiedenen Jahreszeiten bestimmt. Ebenso wurde das Verhältnis von großen zu kleinen Knöllchen ausgewertet, da kleine Knöllchen auch ohne Rhizobien gebildet werden können.

Quantifizierung der Stickstoff-Fixierung

Als Maß für die Bindung (Fixierung) des Luftstickstoffs wurde die Acetylen-Reduktion der Wicken zu verschiedenen Jahreszeiten gemessen. Dazu wurden die Pflanzen mit Acetylen begast und die Menge an gebildetem Ethylen im Gaschromatographen bestimmt.

Ergebnisse

Rhizobium leguminosarum ist ein Luftstickstoff bindendes Bakterium, das unter Bildung von Wurzelknöllchen mit der rauhaarigen Wicke (Vicia hirsuta) eine Symbiose eingehen kann. Die Anzahl der gebildeten Wurzelknöllchen gibt Aufschluss über die Aktivität der Bakterien.

Die Expression von T4-Lysozym in rekombinanten Wicken führte zu einer Reduktion der Knöllchenbildungsrate um 50% (Vorlaufprojekt 1995-1997).

Die Knöllchenbildung und Stickstoff-Fixierung von Wildtyp-Wicken, die in direkter Nähe zu transgenen Lysozym-Kartoffeln standen, wurde jedoch nicht beeinträchtigt. Es wurden lediglich jahreszeitliche und standortbedingte Schwankungen ermittelt. In den Sommermonaten ist die Knöllchenbildung und die Stickstoff-Fixierung deutlich verringert, im Herbst steigen diese wieder an.