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Genduplikat spielt Schlüsselrolle bei der Symbiose mit Rhizobien

30.11.2022 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Die Wurzel der Sojabohne mit Wurzelknöllchen. Die Knöllchen enthalten die Symbiosome, in denen symbiontischen Bakterien Stickstoff fixieren. (Bildquelle: © kelly marken / Fotolia.com)

Die Wurzel der Sojabohne mit Wurzelknöllchen. Die Knöllchen enthalten die Symbiosome, in denen symbiontischen Bakterien Stickstoff fixieren. (Bildquelle: © kelly marken / Fotolia.com)

Knöllchenbakterien ermöglichen ihren Symbionten, meist Leguminosen, einen effizienten Zugang zu Stickstoff. Ein Forschungsteam hat nun ein Schlüsselgen identifiziert, dass die Bildung des dazu notwendigen Symbiosoms erst ermöglicht.

Stickstoff ist ein essentieller Nährstoff für das Pflanzenwachstum. Doch den in der Atmosphäre im Überfluss vorhandenen molekularen Stickstoff (N2) können Pflanzen nicht verwerten. Sie sind auf stickstoffhaltigen Dünger oder die Mithilfe von Mikroorganismen angewiesen, deren Stoffwechsel aus N2 die stickstoffhaltigen Verbindungen Ammoniak bzw. Ammonium erzeugt. Diese können die Pflanzen direkt nutzen. Einige Pflanzen, primär die Familie der Hülsenfrüchtler (Leguminosen), gehen daher mit bestimmten stickstofffixierenden Bakterien eine Symbiose ein. Die Pflanzenforschung hat nun ein Protein identifiziert, das entscheidend dafür ist, dass Knöllchenbakterien (Rhizobien) und Hülsenfrüchtler sogenannte Symbiosome bilden – spezielle Vakuolen, in denen der bakterielle Symbiont lebt.

Regulation der Symbiosom-Bildung wenig verstanden

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Am Beispiel des Mooses Medicago truncatula hat ein Forschungsteam die Rolle des Gens nKCBP bei der Symbiose mit Rhizobien untersucht.

Am Beispiel des Mooses Medicago truncatula hat ein Forschungsteam die Rolle des Gens nKCBP bei der Symbiose mit Rhizobien untersucht.

Bildquelle: © Ninjatacoshell / Wikimedia; CC-BY-SA-3.0

Die meisten Leguminosen fangen Rhizobien mit ihren verdrehten Wurzelhaaren ein und umschließen die Bakterien dann mit einer Membran zum Symbiosom. Die Membran dient beiden Organismen als Schnittstelle, um Nährstoffe und Signale auszutauschen. Für den Aufbau dieser Schnittstelle sind das Cytoskelett und das Endomembrantransportsystem der Pflanzenzelle zuständig, insbesondere die Mikrotubuli und Aktin-Filamente. Viele der beteiligten Mechanismen sind im Detail jedoch unverstanden.

Frühere Studien haben gezeigt, dass das Kinesin-artige calmodulinbindende Protein (KCBP) direkt an F-Aktin bindet und mit Mikrotubuli interagiert. Beim Moos Marchantia polymorpha konnten Forscher:innen bereits zeigen, dass KCBP erforderlich ist, damit Rhizoide - wurzelähnliche Haare - wachsen können. Als ein Forschungsteam dann im Schneckenklee Medicago truncatula nach KCBP-homologen Genen suchte, gab es überraschenderweise gleich zwei Treffer. Irgendwann in der Evolution hatte eine Genverdoppelung stattgefunden. Während eines dieser Homologe in allen Gewebetypen exprimiert wurde, war das zweite, nKCBP, hauptsächlich in den Wurzelknöllchen aktiv. Düngten die Forschenden die Pflanzen zwei Tage lang mit Nitrat, sank seine Aktivität. Eine Infektion mit dem Stickstoff-fixierenden Bodenbakterium Sinorhizobium meliloti hingegen steigerte die Expressionsrate.

Genverdoppelung nur bei Leguminosen mit Symbiosombildung

Phylogenetische Analysen von 26 repräsentativen Arten aus 14 Familien der Blütenpflanzen ergaben, dass alle untersuchten diploiden Leguminosen diese Genverdoppelung aufwiesen – jedoch keine anderen diploiden zweikeimblättrigen und einkeimblättrigen Arten. Weitere Tests zeigten, dass nur Leguminosen, die auch Symbiosome bilden, das Paralog besitzen und dieses ebenfalls vorrangig in den Wurzelknöllchen exprimieren. Vieles deutete also darauf hin, dass nKCBP an der Symbiose zwischen Leguminosen und Rhizobien wesentlich beteiligt ist.

Tatsächlich zeigten Knockout-Mutanten ohne funktionales nKCBP Symptome eines Stickstoffmangels, wenn sie in stickstofffreier Umgebung und damit abhängig von Symbionten wuchsen. Versorgten die Forscher:innen die Pflanzen mit Ammoniumnitrat, verschwanden die Mangel-Symptome. Außerdem wiesen die Knockout-Pflanzen geschrumpfte Wurzelknöllchen auf sowie eine dramatisch verringerte Aktivität ihrer Nitrogenasen. nKCBP ist demnach erforderlich, damit sich die Knöllchen korrekt ausbilden und die Pflanze durch die bakterielle Stickstofffixierung mit Stickstoff versorgt werden kann.

Ohne nKCBP keine zentrale Vakuole im Symbiosom

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Viele Kulturpflanzenarten wie Mais, Weizen oder Gerste müssen vom Menschen mit Stickstoff versorgt werden. Das könnte sich ändern, wenn diese Pflanzen auch die Symbiose mit Knöllchenbakterien „lernen“ würden.

Viele Kulturpflanzenarten wie Mais, Weizen oder Gerste müssen vom Menschen mit Stickstoff versorgt werden. Das könnte sich ändern, wenn diese Pflanzen auch die Symbiose mit Knöllchenbakterien „lernen“ würden.

Bildquelle: © iStock.com / fotokostic

Das Forschungsteam betrachtete nun die Wurzelknöllchen genauer. Während infizierte Zellen des Wildtyps prominente, große und zentrale Vakuolen aufweisen, zeigte die Knockout-Mutante zahlreiche kleine, zufällig verteilte Vakuolen. Die Gabe von Stickstoff änderte daran nichts, sorgte aber für eine normale Größe der Wurzelknöllchen. Die Stickstoffmangelsymptome hängen demnach ursächlich mit dem Entwicklungsdefekt der Vakuolen zusammen. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen bestätigten, dass nKCBP erforderlich ist, damit in symbiontischen Zellen die Fusion zur zentralen Vakuole korrekt erfolgt.

Weitere Auswertungen zeigten auch, dass sich in der zentralen Vakuole symbiontischer Wildtypzellen viele undifferenzierte Bacteroide – die typische Zustandsform der symbiontischen Bakterien im Symbiosom – befanden. Knockout-Mutanten enthielten lediglich undifferenzierte Bacteroide im Cytoplasma, kaum jedoch in Vakuolen. Zusammengenommen deuten diese Beobachtungen darauf hin, dass sich ohne funktionales nKCBP auch die Symbiosommembran nicht korrekt bildet und die gesamte Symbiosomentwicklung gestört ist.

Interaktion mit Mikrotubuli und F-Aktin

Mit GFP-markiertem nKCBP enträtselte das Forschungsteam anschließend die Interaktion des Proteins. Nachweisbar war es nur in symbiontisch aktiven Zellen. Dort band das Protein an lineare vesikelartige Partikel, einige davon nah bei der Symbiosommembran, andere in der Nähe der Symbionten. Außerdem konnte nKCBP im Verbund mit Mikrotubuli und F-Aktin nachgewiesen werden. Im Wildtyp arrangierten sich die endoplasmatischen Mikrotubuli meist parallel zu den Symbiosomen und waren mit einzelnen davon verbunden. Aktin-Filamente waren radial um die zentrale Vakuole angeordnet. In Knockout-Mutanten hingegen formten die Mikrotubuli ein ungeordnetes Netz im Cytoplasma und kurze Aktin-Fragmente waren ungeordnet im Cytoplasma verteilt.

Zusammengefasst scheint nKCBP demnach während der Symbiosomentstehung die Organisation des Cytoskeletts zu regulieren und für den Aufbau und Fusion der zentralen Vakuole verantwortlich zu sein. Ob das Protein dabei das Wechselspiel zwischen Mikrotubuli und Aktin-Filamenten moduliert und so den Aufbau der Vakuole ermöglicht, oder ob das Protein selbst ein Transporter von Membranliposomen ist, erscheint beides denkbar. Das Forschungsteam vermutet eine Kombination beider Szenarien.

Offene Fragen und langfristiges Potenzial

Auch wenn noch viele Fragen offen sind, hat die Entdeckung spannende Implikationen für die Pflanzenzüchtung. Denn dadurch, dass hinter der Entstehung der Symbiosome eine Genverdoppelung steckt, wäre es nun überlegenswert, diesen Mechanismus auch in Arten nachzubilden, die bislang keine Symbiose mit stickstofffixierenden Bakterien eingehen können. Doch dazu müsste zunächst das gesamte regulatorische Netz jener Gene identifiziert werden, die sich mit dem Duplikat nKCBP gemeinsam entwickelt haben. Aber die Vision einer Stickstoffversorgung aller Kulturpflanzen ohne mineralische Stickstoffdüngung ist dadurch wieder ein Stückchen näher gerückt.


Quelle:
Zhang, X., et al. (2022): „Alegume kinesin controls vacuole morphogenesis for rhizobia endosymbiosis.“ In: Nature Plants, Vol. 8, 1275-1288 (31. Oktober 2022). doi: 10.1038/s41477-022-01261-4.

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Titelbild: Die Wurzel der Sojabohne mit Wurzelknöllchen. Die Knöllchen enthalten die Symbiosome, in denen symbiontischen Bakterien Stickstoff fixieren. (Bildquelle: © kelly marken / Fotolia.com)