Toxische Symbiose

Das Rhizobium ist die „Mikrobe des Jahres 2015“ und hauptsächlich als Wachstumsförderer bekannt und geschätzt. Die Rolle in der pflanzlichen Abwehr ist dagegen neu: Bei Crotalaria Pflanzen ist das Bodenbakterium entscheidend an der Produktion von Pyrrolizidin-Alkaloiden beteiligt, ein äußerst wirksames Pflanzengift.

Rhizobien, bekannt unter dem geläufigeren Namen „Knöllchenbakterien“, leben seit ungefähr 100 Millionen Jahren in einer Symbiose mit vielen unterschiedlichen Pflanzenarten. Dass diese die weit verbreiteten Bodenbakterien nicht fürchten müssen, liegt daran, dass diese ihnen keineswegs schaden, sondern bei der Stickstoffversorgung unter die Arme greifen. Vor Kurzem fanden Kieler Forscher heraus, dass der „Freundschaftsdienst" sogar darüber hinausgeht: Zwei Rhizobienarten lassen ihre Partner, die Crotalaria Pflanzen, zum Schutz vor Fressfeinden Pflanzengifte produzieren.

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Evolution von Giften

Dabei gehören die gehören Rhizobien eigentlich nicht zum Forschungsalltag der Forscher, wie Dietrich Ober vom Botanischen Institut der Christian-Albrechts-Universität erklärt: „Unsere Arbeitsgruppe erforscht die Evolution von Pyrrolizidin-Alkaloiden. Das sind Gifte, die einige Pflanzen zum Schutz vor Fraßfeinden produzieren.“ Genau genommen handelt es sich dabei um eine Gruppe von über 500 Alkaloiden, welche in mehr als 6.000 Pflanzenarten vorkommen, insbesondere bei Korbblütlern (Asteraceae), Raublattgewächsen (Boraginaceae) und Hülsenfrüchtlern (Fabaceae). „Besonders interessiert uns die im subtropischen und tropischen Raum vorkommende Pflanzengattung Crotalaria, die vor allem in Afrika heimisch ist“, erklärt Dr. Kaltenegger, Koautorin und Mitarbeiterin der Christian-Albrechts-Universität.

Das Suche nach dem fehlenden Puzzleteil

Die Kieler Forscher begannen wie üblich, Crotalaria-Pflanzen (C. spectabilis) für ihre Forschungszwecke im Gewächshaus zu züchten, stellten aber nach kurzer Zeit ernüchternd fest, dass diese gar keine Pyrrolizidin-Alkaloide enthielten. Etwas, das in der freien Natur die Bildung maßgeblich anregt und steuert, musste den Pflanzen im Gewächshaus also fehlen.

Auf der Suche nach dem fehlenden Bauteil wurden die Forscher schnell fündig: Den Crotalaria-Pflanzen mangelte es weder an Wasser oder Nährstoffen noch litten sie unter zu hohen oder niedrigen Temperaturen. Es fehlten schlicht und ergreifend die Rhizobien und die charakteristischen weißen Knöllchen in den Wurzeln, welchen die Rhizobien ihren umgangssprachlichen Namen zu verdanken haben. Verblüfft überlegten die Forscher, ob womöglich das Bodenbakterium etwas mit der Produktion des Pflanzengifts zu tun haben könnte, obwohl zunächst angenommen werden konnte, dass die Bakterien hauptsächlich für eine Verbesserung der Stickstoffversorgung zuständig sind.

Kein Pflanzengift ohne Knöllchenbakterien

Um auf Nummer sicher zu gehen, infizierten sie im ersten Schritt einen Teil der Crotalaria-Pflanzen mit den beiden Bakterienarten Bradyrhizobium und Methylobacterium, mit denen die Pflanze auch in freier Natur in Symbiose lebt. „Der Vergleich von infizierten und nicht infizierten Exemplaren zeigte, dass nur die infizierten Pflanzen die Abwehrstoffe produzierten“, erklärt Professor Dietrich Ober vom Botanischen Institut der Christian-Albrechts-Universität das überraschende Ergebnis.

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Das Gift wird in den Wurzelknöllchen gebildet

Bei der näheren Untersuchung rückten anschließend die weißen, etwa stecknadelkopfgroßen Wurzelknöllchen, in das Zentrum der Aufmerksamkeit. Dabei handelt es sich um „umprogrammierte“ Wurzelhaarzellen, in die das Bakterium vorher eingedrungen ist. Die Untersuchung offenbarte, warum die Crotalaria-Pflanzen vorher kein Pflanzengift gebildet hatten: Die Pyrrolizidin-Alkaloide werden nämlich in den Wurzelknöllchen gebildet. Im Unterschied zu den Vorgängen bei der Stickstoffumwandlung sind dabei jedoch nicht Enzyme des Knöllchenbakteriums beteiligt, sondern ein Enzym, das von der Pflanze produziert wird: die Homospermidin Synthase (HSS).

Eine Bakterien-Pflanzen-Kooproduktion

Die Forscher schließen daraus, dass das Erbgut der Crotalaria zwar die genetischen Informationen enthält, welche zur Bildung des HSS-Enzyms erforderlich sind, diese jedoch nicht ohne die Hilfe der Rhizobien abgerufen werden können. Die Transkriptomanalyse, bei der es um den Nachweis geht, ob bestimmte Gene aktiv sind oder nicht, ergab zudem, dass die betroffenen Gene nur in den Wurzelknöllchen aktiv sind und nirgendwo sonst in der Pflanze.

Stickstoff nicht ausschlaggebend

Wie genau die Gene aktiviert werden, die letztendlich zur Bildung der Pyrrolizidin-Alkaloide führen, muss daher noch näher erforscht werden. Die naheliegende Vermutung, dass die Produktion möglicherweise im Zusammenhang mit der Stickstoffversorgung stehen könnte, die durch die Rhizobien angekurbelt wird, bestätigte sich jedoch nicht, nachdem die Forscher nichtinfizierte Crotalaria-Pflanzen mit einer Extraportion Stickstoff „fütterten“ – ohne Ergebnis. „Gerade erst im vergangenen Monat wurden die Rhizobien wegen ihrer wachstumsfördernden Eigenschaften zur Mikrobe des Jahres 2015 gekürt. Nun stellt sich heraus, dass der Einfluss des Bakteriums auf die Überlebensfähigkeit der Pflanzen sogar noch viel größer ist, als bisher vermutet wurde“, erklärt Ober.

Richtige Ernährung rettet Leben!

Der Einfluss den Rhizobien haben, ist jedoch noch größer als bisher angenommen. Denn nicht nur die Abwehrkraft der Pflanze wird durch die Pyrrolizidin-Alkaloide gestärkt. Auch einige spezialisierte Insekten machen sich dieses Zusammenspiel von Bakterien und Pflanze zu Eigen. Prominentes Beispiel ist der Nachtfalter Utetheisa ornatrix. Dieser nutzt die Crotalaria-Pflanzen gezielt als Ablageplatz für seine Eier.

Den sich nach kurzer Zeit entwickelnden Raupen dienen die Blätter und die Crotalaria-Samen als Nahrung. Jedoch führen die darin enthaltenen Pyrrolizidin-Alkaloide keineswegs zu deren Tod, sondern werden mit Hilfe eines Enzyms, die N-Oxygenase, über alle Stadien der Metamorphose, also von der Raupe über die Puppe bis zum Schmetterling, gespeichert. Der Nachtfalter macht sich die pflanzliche Abwehr so zu Eigen. Die richtige Ernährung fördert also nicht nur die Gesundheit, sondern kann im entscheidenden Moment sogar Leben retten.

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Ein Enzym entschärft das Pflanzengift

Das Enzym „entschärft“ das Pflanzengift, indem es genau ein Sauerstoffatom auf die Pyrrolizidin-Alkaloid -Verbindung überträgt. Gespeichert wird das unschädlich gemachte Gift anschließend dort, wo auch das Enzym zu finden ist: in der Leibeshöhlenflüssigkeit der Insekten, die Hämolymphe. Während das Gift dort keine Wirkung zeigt, ändert sich das schlagartig, sobald der Nachtfalter von einem seiner Feinde verspeist wird: Im Magen seiner Fressfeinde reduziert die zuvor oxidierte Pyrrolizidin-Alkaloid-Verbindung, es verliert also das übertragene Sauerstoffatom und entfaltet daraufhin seine tödliche Wirkung. Auch an diesem Vorgang ist wieder ein Enzym beteiligt, die P450 N-Oxydase. Nur dass in diesem Fall kein Sauerstoffatom übertragen, sondern entzogen wird. Mit tödlichen Folgen.

Da vergeht Spinnen und Parasiten der Appetit

Diese Abwehrstrategie ist so effektiv, dass die Falter aus der Familie der Bärenspinner (Arctiiinae) nicht einmal Spinnen fürchten müssen, deren Leibspeisen normalerweise Schmetterlinge und Falter sind. Verfängt sich nämlich Utetheisa ornatrix einmal in einem Spinnennetz, eilt die Spinne herbei, um nach einer kurzen Begutachtung ein Loch in ihr eigenes Netz zu schneiden, um sich der unappetitlichen Beute so schnell wie möglich zu entledigen.

Sogar die Eier, welche auf den Crotalaria-Pflanzen abgelegt werden, enthalten genügend Pyrrolizidin-Alkaloide, dass sie nicht nur Fressfeinde auf Abstand halten, sogar auch Parasiten, die bevorzugt wehrlose Insekteneier befallen, wie zum Beispiel die Wespenlarven der Art Trichogramma ostriniae.

Den Kielern Forschern ist somit gelungen eine neue und wichtige Facette der Symbiose zwischen Rhizobien und Pflanzen herauszufinden. Im nächsten Schritt möchten die Forscher herausfinden, ob noch weitere Hülsenfrüchtler mit Hilfe der Rhizobien giftige Pyrrolizidin-Alkaloide bilden.