Neue Details zur Mykorrhiza-Symbiose

In den Tiefen des Bodens vernetzen sich Pilzhyphen zu einem gigantischen Netzwerk, das in einem einzigen Kubikzentimeter Erde Längen von bis zu 100 Metern erreichen kann. Die meisten Landpflanzen gehen eine sogenannte arbuskuläre Mykorrhiza (AM) Symbiose mit Glomeromycotina-Pilzen ein, um besser an essenzielle Nährstoffe zu gelangen. In dieser besonders intimen Beziehung gewähren die Pflanzen den Pilzhyphen freien Zutritt zu ihren Wurzeln – und teilweise sogar in ihre Zellen. Die Pilze liefern im Gegenzug Wasser und Mineralstoffe, während sie auf die von der Pflanze bereitgestellten Fotosyntheseprodukte angewiesen sind. Diese Partnerschaft besteht schon seit Hunderten Millionen Jahren und ist für das Überleben vieler Pflanzenarten unerlässlich.

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Ethylen – Mehr als ein Stresshormon
Die neue Forschungsarbeit unter der Leitung von Caroline Gutjahr zeigt, dass das bekannte Pflanzenhormon Ethylen eine entscheidende Rolle bei der Regulierung dieser Symbiose spielt. Ethylen wird insbesondere unter Stressbedingungen, wie etwa bei Überflutungen, verstärkt produziert. Dabei unterdrückt es nicht etwa über das Immunsystem die Symbiose, wie lange vermutet, sondern hemmt gezielt die Expression zahlreicher Gene, die für den Aufbau der Mykorrhiza in der Modellpflanze Lotus japonicus notwendig sind.

Zu diesen Genen zählen unter anderem jene, die an der Biosynthese von Strigolactonen beteiligt sind – Hormone, die für die Aktivierung des Pilzes unerlässlich sind – sowie sogenannte Common Symbiosis-Gene, die dem Pilz den Eintritt in die Wurzel ermöglichen. Interessanterweise konnten die Forscher zeigen, dass der negative Effekt von Ethylen durch den Einsatz von Strigolacton-Analoga oder durch die verstärkte Expression der Calcium Calmodulin-abhängigen Kinase (CCaMK) aufgehoben werden kann.

SMAX1 als zentraler Schalter
Ein weiterer spannender Befund der Studie betrifft das Protein SMAX1, einen Transkriptionsrepressor, der während der Karrikin-Signalübertragung abgebaut wird. Die Untersuchung ergab, dass SMAX1 eine Schlüsselfunktion bei der Hemmung der Mykorrhiza durch Ethylen spielt. Nach der Anwendung von Ethylen steigt die Konzentration von SMAX1 in den Zellkernen der Pflanzen – ein Prozess, der letztlich die Expression der Gene unterdrückt, die für den symbiotischen Austausch notwendig sind. SMAX1 erweist sich somit als ein zentraler Signalknoten, der sowohl Karrikin- als auch Ethylen-Signale integriert und so die Entwicklung der Mykorrhiza in Abhängigkeit vom physiologischen Zustand der Pflanze steuert.

Neue Perspektiven für eine nachhaltige Landwirtschaft
Diese detaillierten Einblicke in den hormonellen Schaltermechanismus erweitern unser Verständnis der komplexen Kommunikation zwischen Pflanzen und Pilzen. Langfristig könnte dieses Wissen dazu beitragen, Nutzpflanzen so zu züchten, dass sie auch unter stressigen Umweltbedingungen optimal von den Vorteilen der Mykorrhiza-Symbiose profitieren. Dies eröffnet vielversprechende Perspektiven für eine Landwirtschaft, die angesichts sich verändernder Klimabedingungen resilienter und ertragssicherer werden muss.

Quelle:
Das, D. et al (2025): Ethylene promotes SMAX1 accumulation to inhibit arbuscular mycorrhiza symbiosis. In: Nature Communications (27. Februar 2025). doi: 10.1038/s41467-025-57222-w

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Titelbild: Lotus japonicus-Blüten: An dieser Modellpflanze konnten die Forscher die Hormonsteuerung der Symbiose studieren. (Bildquelle: © Kartikye Varshney / Max-Planck-Institute für Molekulare Pflanzenphysiologie)