Hülsenfrüchte öffnen Knöllchenbakterien die Tür

Britische Forscher finden das Enzym, das die vielleicht wichtigste Symbiose im Pflanzenreich ermöglicht.

Rhizobien besitzen eine außergewöhnliche Fähigkeit: Die Bakterien können elementaren Stickstoff aus der Luft binden und verwerten. Die Pflanzenforschung interessiert das, weil Rhizobien eine ganz besondere Symbiose eingehen: Sie siedeln sich in Wurzelknöllchen von Hülsenfrüchtlern (Leguminosen) an, die auf diese Weise eine natürliche Stickstoffdüngung in Form von Ammoniak erfahren. Wie aber die Bakterien in die Zellen der Pflanzen gelangen, ist auch nach 125 Jahren nur unvollständig verstanden. Über einen wichtigen Schritt berichten jetzt Forscher im Fachmagazin „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS).

Bereits seit 1887 ist bekannt, dass Rhizobien in die Zellen der Wurzelhaare von Hülsenfrüchtlern eindringen. Der häufigste Mechanismus dafür ist die intrazelluläre Infektion über eine intrazelluläre Röhre, die von der Zellwand eines Wurzelhaars über die epidermalen zu den kortikalen Zellen vordringt. Am Ende dieses Infektionskanals werden benachbarte Zellen ebenfalls infiziert, und es entstehen die charakteristischen Wurzelknöllchen, in denen die Rhizobien leben. Wodurch das Loch in der Zellwand der Wurzelhaarzellen entsteht und damit zur Bildung der Infektionskanäle führt, konnten die Forscher jetzt an der Modellpflanze Lotus japonicus, dem Hornklee, zeigen: Die Pflanze selbst erzeugt Enzyme, um ihre Zellwand zu zersetzen.

Kalzium als Bindungsfaktor

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Eine pflanzliche Zellwand ist nicht einfach zu durchdringen. Sie ist aus Kohlenhydraten aufgebaut, darunter Pektine. Mittels bestimmter Proteine binden die Rhizobien an Kalziumverbindungen an der Oberfläche der Pflanze und signalisieren so ihre Anwesenheit. Die Pflanze bildet daraufhin das Enzym Pektatlyase, das Pektine zersetzt und den Bakterien ein Loch in die pflanzliche Zellwand baut. Gleichzeitig sorgt die Pflanze dafür, dass keine anderen, möglicherweise pathogenen Bakterien diesen Mechanismus zum Einfall nutzen können.

Während die Rhizobien die Pflanze veranlassen, aus Zellulose den Infektionskanal zu bilden, geben die Hülsenfrüchtler ihnen keine Möglichkeit, diesen Bereich zu verlassen. Erst wenn der Infektionskanal sein Ziel in der Wurzel erreicht hat, öffnet die Pflanze den Bakterien einen Ausgang in die Zellen, in denen die Rhizobien zukünftig Stickstoff fixieren. Damit ist die alternative Möglichkeit widerlegt, dass die Bakterien selbst Pektatlyasen bilden, um sich Zugang zu den Zellen zu verschaffen.
Der Nachweis gelang den Pflanzenforschern mittels Mutanten, bei denen das Gen für die Pektatlyase, LjNPL, nicht funktional war. Dieser Hornklee etablierte keine oder unvollständige Symbiosen mit Rhizobien.

Die Entdeckung hat jedoch auch eine Schattenseite: Der Umstand, dass der Abbau der Zellwand von den Pflanzen ausgeht und vermutlich noch weitere regulatorische Elemente beteiligt sind, erschwert ein wichtiges Ziel der Pflanzenforschung: die Symbiose mit Rhizobien auch bei anderen Pflanzen als Hülsenfrüchtlern zu ermöglichen.