Knöllchen-Kontrolle

Blätter entscheiden über die richtige Zahl an symbiotischen Knöllchenbakterien

15.10.2018 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

An der Steuerung einer ausgewogenen Symbiose bei Leguminosen ist auch eine miRNA beteiligt. (Bildquelle: © MartinGomezAlzaga / Fotolia.com)
An der Steuerung einer ausgewogenen Symbiose bei Leguminosen ist auch eine miRNA beteiligt. (Bildquelle: © MartinGomezAlzaga / Fotolia.com)

Bei der Symbiose von Leguminosen mit Knöllchenbakterien sind auch die Blätter involviert. Sie signalisieren den Wurzeln den Ernährungszustand der Pflanze und wie viele symbiontische Bakterien benötigt werden. Wissenschaftler konnten zeigen: Am Informationsaustausch zwischen Wurzel und Trieb ist auch eine MikroRNA beteiligt. 

Hülsenfrüchte wie Soja, Erbsen oder die Modellpflanze Lotus japonicus bilden in Symbiose mit Rhizobien Stickstoff-fixierende Knöllchen an ihren Wurzeln. Diesen Stickstoff benötigen die Pflanze für ihre Proteinherstellung. Diese Pflanzen haben dadurch einen hohen Proteingehalt. Das macht sie sowohl bei Vegetariern als auch bei Landwirten beliebt. Sie kommen auch auf stickstoffarmen Böden ohne chemischen Dünger aus. Eine aktuelle Arbeit zeigt, dass an der Regulation einer ausgewogenen Symbiose auch eine MikroRNA der Pflanze beteiligt ist.

Zu viele Bakterien schädigen Pflanze

Wie viele Knöllchen an den Wurzeln entstehen, reguliert die Pflanze über einen Prozess, den Wissenschaftler als Selbstregulation der Knöllchenbildung (autoregulation of nodulation = AON) bezeichnen. Diese Regulation ist notwendig, um die Pflanze in einer ausgewogenen Balance zwischen Wachstum und Symbiose zu halten. Denn zu viele Bakterien könnten die Pflanze beschädigen.

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Obere Reihe: Wurzeln des Wildtyps – transgen oder nicht – bilden Knöllchen aus (transgene Proben fluoreszieren grün). Untere Reihe: Herunterregulierung von miR2111 in transgenen Wurzeln (grün fluoreszierend markiert) führt zu einer reduzierten Symbiose. Stickstofffixierende Knöllchen (rot fluoreszierend) bilden sich bevorzugt an nicht-transgenen Wurzeln bei normaler miR2111-Aktivität.

Quelle: © Katharina Markmann

„Die Regulation muss den Spross mit einbeziehen, denn der Ernährungszustand der Blätter gibt vor, wie viele Knöllchen in der Wurzelsymbiose der Pflanze zuträglich sind“, erklärt Katharina Markmann von der Universität Tübingen. Es sei schon bekannt gewesen, dass eine Pflanze dann zu viele Wurzelknöllchen bildet und sich schlecht entwickelt, wenn in den Blättern der Rezeptor für die Signale aus den Knöllchen fehlt. „Unklar war umgekehrt, wie die Blätter mit den Wurzeln kommunizieren.“

miR2111 reguliert Symbiose

Der Schlüssel dieser Kommunikation ist miR2111 - eine MikroRNA. In Versuchen steuerte Lotus japonicus über die Konzentration dieser MikroRNA den Infektionsstatus mit Mesorhyzobium loti an den Wurzeln. Dort nahm die Konzentration von miR2111 innerhalb von zwei Tagen nach der Infektion ab. Zu diesem Zeitpunkt setzt die Selbstregulation der Symbiose ein und bringt beide Partner in ein günstiges Gleichgewicht.

miR2111: in Trieben produziert, wirksam in Wurzeln

Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass miR2111 das in den Wurzeln exprimierte Gen TOO MUCH LOVE (TML) hemmt. Das Genprodukt verhindert dort das Eindringen der Rhizobien. miR2111 kommt zwar in den Wurzeln vor, wird aber ausschließlich in den Trieben produziert. Das zeigte ein weiterer Versuch, bei dem die Forscher die Triebe von Pflanzen abtrennten und die miR2111-Konzentration in den Trieben und Wurzeln ermittelten.

Auch die abgetrennten Triebe stellten weiterhin miR2111 her, doch die miR2111-Konzentration in den Wurzeln nahm bereits nach drei Tagen deutlich ab. Die trieblosen Pflanzen wiesen außerdem erwartungsgemäß höhere Konzentrationen an TML-mRNA in ihren Wurzeln auf. Da die Wissenschaftler miR2111 im austretenden Saft der abgetrennten Triebe nachweisen konnten, vermuten sie, dass die MikroRNA im Phloem transportiert wird.

miR2111 ermöglicht schnelle Reaktion auf Bakterien

Die Ergebnisse der Forscher zeigen eindeutig, dass die Wechselwirkungen zwischen TML und miR2111 die Aufnahmefähigkeit der Wurzeln für Rhizobien kontrollieren. Die neuen Erkenntnisse stellten die bisherige Auffassung zur Kontrolle der Symbiose auf den Kopf, berichtet Katharina Markmann. „Wir wissen nun, dass die Mechanismen zur Regulation der Infektion schon an Ort und Stelle sind, bevor die Pflanze mit den Bakterien überhaupt in Kontakt kommt.“ Diese aufwendige Lösung ermögliche es der Pflanze, schnell zu reagieren, sobald Bakterien eintreffen – und unterstreiche, wie wichtig es ist, dass die Wirtspflanze jederzeit die Kontrolle behält und Missbrauch verhindern kann.

Langfristig lassen sich die neuen Erkenntnisse nutzen, um die Kommunikation zwischen Spross und Wurzel für eine optimale Stickstoffbindung auch unter ungünstigen Umweltbedingungen zu optimieren.

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