Die Lizenz zum Knöllchen

Forscher fanden heraus, dass ein spezieller Mechanismus es den Hülsenfrüchtlern ermöglicht, je nach Bedarf ein bestimmtes Gen so umzubauen, dass es ein zweites Protein bilden kann, das wichtig für die Symbiose mit Rhizobien ist. Die Forscher konnten Parallelen zu anderen Symbiosen ziehen und kamen zu dem Schluss, dass die Stickstofffixierung aus der Luft, auch auf andere Pflanzen übertragen werden könne.

Stickstoff ist für Pflanzen Mangelware. Wenn es ums Wachstum geht, ist er oft der begrenzende Faktor. Dementsprechend wird bei Nutzpflanzen Stickstoff zugeführt, damit sie die gewünschten Erträge bringen – mit den entsprechenden Folgen für die Umwelt. Eine Ausnahme gibt es allerdings: Die Hülsenfrüchtler (Leguminosen) haben eine Symbiose mit bestimmten Bakterien, den Knöllchenbakterien oder Rhizobien, entwickelt, die es ihnen ermöglicht, Stickstoff aus der Luft zu fixieren und zu verwerten. Eine neue Studie untersuchte jetzt, wie ein bestimmtes Protein speziell für die Symbiose gebildet wird und der Bakterienzelle bei der Reifung hilft.

Praktische Symbiose

Die Verbindung zwischen Hülsenfrüchtlern und Knöllchenbakterien gilt als die Symbiose schlechthin: Als einzelne Organismen können beide keinen Stickstoff fixieren, aber wenn sie sich zusammenschließen, haben sie Zugriff auf die schier unerschöpflichen Vorräte der Luft (78 Prozent unserer Atemluft bestehen aus Stickstoff). Damit das klappt, dringt das Bakterium in eine Wurzelhaarzelle ein, wo es zu einem Bakterioiden heranreift, der in der Folge die für die Fixierung nötigen Enzyme bilden kann.

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Diese Bakterioide werden von der Pflanze mit einer Membran umgeben und als „Symbiosomen“ bezeichnet. Für den Stoffaustausch mit den Symbiosomen über diese Membran werden spezielle Rezeptor-Proteine seitens der Pflanze benötigt. Diese Proteine verbinden sich mit den Vesikeln (enthalten die Stoffe, die weitergegeben werden sollen) zum Zweck des Stoffaustauschs (Exozytose) an der Membranoberfläche und werden SNARE-Proteine genannt (SNARE steht für „soluble-N-ethylmaleimide-sensitive-factor-attachment-receptor“).

Für die Modellpflanze Medicago truncatula, ein Schneckenklee, sind zwei verschiedene Transkripte für diese Rezeptor-Proteine beschrieben – und zwar von ein und demselben Gen, genannt SYNTAXIN132 (SYP132).

Eins für zwei

Wie kann eine Pflanze aus ein und demselben Gen zwei verschiedene Proteine herstellen? Die Forscher fanden heraus, dass dies über einen speziellen Prozess funktioniert: Die „alternative Spaltung und Polyadenylierung“, eine posttranskriptionelle Modifikation, bei der das 3'-Ende der mRNA zunächst aufgespalten und abgebaut wird. Anschließend wird an das 5'-Ende ein sogenannter PolyA-Schwanz angebaut, der je nach zukünftiger Funktion des Proteins variiert. Dadurch können von einem Gen mehrere unterschiedliche Proteine mit unterschiedlichen Funktionen entstehen.

Wichtige Funktion

Die so entstandenen Proteine nannten die Forscher SYP132A und SYP132C. SYP132A fanden die Forscher vor allem in Wurzeln mit den für Knöllchenbakterien-typischen Verdickungen, SYP132C in Wurzeln ohne Knöllchen. Fluoreszenz-Versuche zeigten das vermehrte Auftreten von SYP132A in der Umgebung der Membranen von Knöllchen-Bakterioiden, was nahelegt, dass sie dort eine wichtige Funktion erfüllen.

Um diese zu testen, wurden die entsprechenden Bereiche des Gens in weiteren Versuchen blockiert (Gene-silencing). Wurde die Synthese von SYP132C blockiert, stoppte das Wurzelwachstum. Wurde SYP132A zu 80 Prozent blockiert, SYP132C aber synthetisiert, war ein normales Wurzelwachstum vorhanden, die gebildeten Knöllchen blieben dabei allerdings sehr klein. Auch setzte die für die Bakterioide typische Zellstreckung nicht ein, sondern sie blieben größtenteils undifferenziert. Zudem konnten deutlich weniger stickstofffixierende Enzyme nachgewiesen werden. SYP132A scheint also eine wichtige Funktion für die Ausdifferenzierung der Bakterienzellen zu haben.

Altes Erbe

Anschließend testeten die Forscher, ob das SYP132A auch bei der entwicklungsgeschichtlich älteren Symbiose zwischen Pflanze und Mykorrhizapilz eine Funktion hat. Sie impften Wurzeln mit blockiertem SYP132-Gen und Kontrollwurzeln von Medicago truncatula mit einem Mykorrhizapilz. In den blockierten Proben kam es nur zu einer schwachen Ausbildung von Arbuskeln (feine Hyphen innerhalb der Wurzelzelle), während die Ausbildung von Hyphen zwischen den Pflanzenzellen nicht beeinträchtigt wurde. Hier sahen die Forscher einen Beweis, dass SYP132A auch in dieser Symbiose mit einer wichtigen Schnittstelle zwischen Wirtspflanze und Mikrobe in enger Verbindung steht, ähnlich wie bei den Rhizobien.

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Das zeigt nach Meinung der Forscher, dass das Protein SYP132A bereits bei der älteren, also stammesgeschichtlich deutlich früher herausgebildeten Symbiose mit Mykorrhizapilzen existierte und dass SYP132A somit einen entscheidenden Faktor beim Stofftransport zwischen Wirt und Mikrobe darstellt. Bei weiteren Versuchen mit anderen Pflanzen wie zum Beispiel der Mohrenhirse (Sorghum bicolor) stellten sie fest, dass deren Wurzeln nach der Impfung mit einem Mykorrhizapilz ebenfalls mit der Synthese von SYP132A begannen. Eine Untersuchung weiterer Pflanzenfamilien zeigte, dass in vielen zweikeimblättrigen Pflanzen ein ähnlicher Prozess abläuft. Bei den einkeimblättrigen Pflanzen, zu denen zum Beispiel Gräser und damit die Getreide gehören, ist hingegen für jedes SYP-Protein ein entsprechendes Gen vorhanden.

Aber es gibt auch Pflanzenfamilien, die diesen Mechanismus nicht besitzen. Dies sind die Kreuzblütler (Brassicaceae), zu denen auch die Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) gehört. Von dieser Familie ist auch bekannt, dass sie nicht in der Lage ist, eine Symbiose mit Mykorrhizapilzen einzugehen.

Stickstoff für alle

Die Fähigkeit von Pflanzen, mit Mykorrhiza eine Verbindung einzugehen, ist alt und hat sich lange vor der Zeit entwickelt, in der die Hülsenfrüchtler begannen, mit Rhizobien eine Symbiose einzugehen. Allerdings scheint der grundlegende Mechanismus ähnlich zu sein, da dieselben Prozesse und sogar vergleichbare Proteinstrukturen verwendet werden. Daraus schließen die Forscher, dass es prinzipiell möglich wäre, die Fähigkeit der Hülsenfrüchtler, sich mit Rhizobien zusammenzutun und Stickstoff aus der Luft zu fixieren, auch auf andere Pflanzenarten zu übertragen. Das würde bedeuten, dass in ferner Zukunft eventuell diese Fähigkeit auch Kulturpflanzen besitzen könnten, so dass umweltbelastende Stickstoff-Düngung bzw. die energieintensive Herstellung von Mineraldüngern in deutlich geringerem Umfang nötig wäre.