Stirb auf mein Kommando

Pflanzen kündigen die Symbiose mit arbuskulären Mykorrhizapilzen mit Hilfe von MYB1

20.06.2017 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Symbiose zwischen Pflanzenwurzel und Pilz: Der Pilz ist hier grün dargestellt. (Bildquelle: © Dr. Daniela Floss)
Symbiose zwischen Pflanzenwurzel und Pilz: Der Pilz ist hier grün dargestellt. (Bildquelle: © Dr. Daniela Floss)

Viele Pflanzen tauschen mit Pilzen Nährstoffe gegen Kohlenstoffverbindungen. Gerät die Symbiose aus dem Gleichgewicht, ziehen die Pflanzen die Notbremse. Eine wichtige Rolle spielt dabei der Transkriptionsfaktor MYB1.

Sie schleichen sich unterirdisch an, strecken ihre feinen Hyphen nach den Wurzelhaaren von Pflanzen aus und durchstoßen schließlich die Zellwand. Dann sind die arbuskulären Mykorrhizapilze (AM) am Ziel. Sie nisten sich in der Wurzelzelle ein und liefern fortan ihrem pflanzlichen Wirt Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphat. Im Gegenzug erhalten sie energiereiche Kohlenstoffverbindungen. Diese Partnerschaft hat sich seit hunderten Millionen von Jahren bewährt.

Doch jedes Mal ist es nur eine Allianz auf Zeit. Schon nach wenigen Tagen stoppen die Pflanzen die Zusammenarbeit und leiten die Degradierung des Pilzes ein. Meist geschieht das, weil der Pilz nicht mehr die gewünschte Menge an Nährstoffen liefert. Ein internationales Forscherteam hat jetzt herausgefunden, dass der Transkriptionsfaktor MYB1 dabei eine entscheidende Rolle spielt.

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Hülsenfrüchtler wie die Sojabohne leben in Symbiose mit arbuskulären Mykorrhizapilzen.

Hülsenfrüchtler wie die Sojabohne leben in Symbiose mit arbuskulären Mykorrhizapilzen.

Quelle: © iStock.com/simazoran

MYB1 aktiviert Hydrolasen

„MYB1-Transkripte finden sich nur in von AM-Pilzen besiedelten Wurzeln, speziell in den arbuskulären Zellen oder angrenzenden Rindenzellen“, schreiben die Autoren in der Studie, die vor kurzem im Fachmagazin Current Biology erschienen ist.

In Schneckenklee (Medicago truncatula), der zu viel MYB1 herstellt, beobachteten die Wissenschaftler negative Auswirkungen auf die Ausbreitung des Pilzes in den Wurzeln. Nur halb so viele Zellen wurden überhaupt von AM-Pilzen besiedelt und die wenigen Pilze, die das schafften, waren viel schneller wieder verschwunden als in Kontrollpflanzen.

Mechanismus vielleicht schon sehr alt

MYB1 mobilisiert gemeinsam mit den Proteinen DELLA und NSP1 gleich eine ganze Armada von Genen, die verschiedene Hydrolasen und reifefördernde Proteine kodieren. Diese Proteine, darunter Chitinasen, Proteasen und Lipasen, zersetzen die Arbuskeln vollständig. Vom einstigen Untermieter in der Wurzelzelle bleibt nichts mehr übrig. Die Wurzelzelle selbst übersteht die Prozedur unbeschadet und kann danach von einem neuen AM-Pilz kolonisiert werden. Einem Pilz, der wieder liefert, was er versprochen hat.

„Die Regulierung des Abbaus von Arbuskeln durch MYB1 und die Hydrolase-Gene könnte eine sehr alte Erfindung sein, die wichtig für den intakten Erhalt der Symbiose während der letzten 450 Millionen Jahre war“, schreiben Caroline Gutjahr und Martin Parniske von der Ludwig-Maximilians-Universität München in einem begleitenden Kommentar zur Studie.

Wer nur schmarotzt, muss gehen

Denn wenn die Pflanze nicht die Möglichkeit hätte, sich von schwächelnden Symbiosepartnern zu trennen, könnte das böse enden. Immerhin saugen die AM-Pilze bis zu 20 Prozent aller durch Photosynthese fixierten Kohlenstoffverbindungen aus den Pflanzen. Wenn sie dafür nicht adäquat mit Phosphor und Stickstoff bezahlen leidet die Fitness der Pflanze. Im schlimmsten Fall stirbt sie. Und das wäre dann auch schlecht für den Pilz.

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Als Versuchspflanze diente dem Forschungsteam die Schneckenkleeart Medicago truncatula.

Als Versuchspflanze diente dem Forschungsteam die Schneckenkleeart Medicago truncatula.

Quelle: © Harry Rose/Flickr/CC BY 2.0

Ihre umständlichen Namen haben die arbuskulären Mykorrhizapilze von ihrer baumähnlichen Form. Dadurch erreichen sie eine extrem große Oberfläche, über die sie effizienten Stoffaustausch mit der Pflanze betreiben können. Alle Nährstoffe müssen dabei zwei Membranen durchqueren. Zum einen die Plasmamembran des Pilzes und zum anderen die sogenannte periarbuskulare pflanzliche Membran, die den Pilz vom pflanzlichen Zytoplasma trennt.

Aus früheren Experimenten war bereits bekannt, dass Pflanzen irgendwie überwachen, wie viele Nährstoffe sie von den AM-Pilzen erhalten. Wenn sich die Rechnung für sie nicht mehr lohnt, beenden sie die Zusammenarbeit. Doch erst diese neue Studie zeigt, welche molekularen Vorgänge dabei ablaufen.

Es gibt nicht nur MYB1

Die Wissenschaftler testeten auch das Verhalten von Pflanzen mit defektem MYB1-Gen und einem ebenso ausgeschalteten Phosphattransportergen (PT4). In Pflanzen mit ausgeschaltetem PT4-Gen werden die Arbuskeln in den Wurzelzellen normalerweise schnell abgebaut, schließlich kann die Pflanze unter diesen Umständen kein Phosphat vom Pilz bekommen. Doch in der Doppelmutante ist die Lebensdauer der Arbuskeln denen in Wildtyp-Pflanzen vergleichbar. Es scheint also noch einen anderen Transkriptionsfaktor zu geben, der unabhängig von MYB1 arbeitet. Denn sonst fände gar kein Abbau der Arbuskeln statt.

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