Pakt nach Bedarf

Forscher eines internationalen Konsortiums unter Federführung deutscher Wissenschaftler konnten nachweisen, dass die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) sich bei Phosphatmangel mit einem Pilz zusammenschließt, um an das lebensnotwendige Phosphat zu gelangen.

Phosphor ist neben Kalium und Stickstoff der wichtigste Pflanzennährstoff. Er ist unter anderem für den Energiehaushalt in der Pflanze, den Aufbau der DNA und für die Aktivierung von Proteinen wichtig. Bei knappem Angebot an Phosphaten greifen manche Pflanzen daher in die Trickkiste, um ihr Überleben zu sichern. Forscher aus Deutschland, Frankreich, Japan und Spanien haben unter der Leitung des Max-Planck-Institutes für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln untersucht, wie die Modellpflanze Arabidopsis thaliana auf so eine Herausforderung reagiert.

Die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) gehört zur Familie der Kreuzblütler (Brassicaceae). Diese Familie ist bekannt dafür, dass sie keine Verbindungen mit Mykorrhiza-Pilzen eingeht, mit der andere Pflanzen ihre Nährstoffversorgung sicherstellen.

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Der Pilz Colletotrichum tofieldiae gehört zu einer Pilzfamilie, in der viele Vertreter weltweit als Pflanzenschädlinge auftreten, zum Beispiel auf Mais, Reis und Kartoffeln, und so jedes Jahr Schäden in Milliardenhöhe verursachen. Doch Colletotrichum tofieldiae scheint nicht dazu zu gehören, sondern sogar nützlich für die Pflanze zu sein.

Eine ungewöhnliche Verbindung

Bei ihren Untersuchungen stellten die Forscher fest, dass viele Arabidopsis-Pflanzen an vier verschiedenen Standorten in Spanien eine Symbiose mit dem Pilz eingegangen waren. Im Gegensatz dazu konnten sie den Pilz in Arabidopsis-Pflanzen in Deutschland und Frankreich nicht nachweisen. Daraus schlossen sie, dass es den Pflanzen an diesem Standort in Spanien einen Vorteil bringen musste, sich mit dem Pilz zu verbinden.

In Versuchen fanden sie heraus, dass der Pilz der Pflanze hilft, an für sie verwertbares Phosphat heranzukommen und im Gegenzug Produkte aus der Photosynthese erhält. Phosphat ist an den untersuchten Standorten in Spanien Mangelware, während die Böden in Deutschland und Frankreich an den jeweiligen Standorten gut versorgt waren. Da Arabidopsis über keine „Kontakte“ zu Mykorrhiza-Pilzen verfügt, scheint sie diesen Missstand auszugleichen, indem sie dem Pilz bei Phosphatmangel Zutritt zu ihren Wurzelzellen gewährt. In der Folge kann die Pflanze mit Pilz-Unterstützung besser wachsen.

Ist der Kontakt erst einmal hergestellt, liefert Colletotrichum Phosphat an die Pflanze, das er aus unlöslichen, anorganisch gebundenen Phosphaten (im Versuch Calciumphosphat, Ca₃(PO₄)₂) in lösliches, für Pflanzen verwertbares Dihydrogenphosphat (H2PO4−) umwandelt. Zudem kann die Pflanze über das erweiterte „Netzwerk“ der Hyphen im Boden auch an verwertbares Phosphat gelangen, das nicht im unmittelbaren Bereich ihrer Wurzeln liegt. Dadurch hat die Pflanze einen Wachstumsvorteil, der durch den Pilz entsteht.

Empfindliches Gleichgewicht

Die Forscher untersuchten daraufhin, wie Pflanze und Pilz zusammenarbeiten können. Ein wichtiger Prozess in der Pflanze ist die sogenannte „Phosphat Starvation Response“ (PSR), die über bestimmte Gene das Wachstum reguliert, sobald Phosphatmangel herrscht. Dieser Prozess wird von infizierten Pflanzen für die Kooperation mit dem Pilz herangezogen. Allerdings zeigten infizierte Pflanzen mit Mutationen im PSR-System eine verstärkte Besiedelung mit dem Pilz. Die Forscher schlossen daraus, dass es eine Kopplung zwischen der PSR und der Immunabwehr geben muss, die die Ausmaße der Besiedelung mit Colletotrichum regelt. Denn sobald die PSR behindert wird, gerät dieser Regelkreis offenbar aus dem Takt, so dass der Pilz sich verstärkt ausbreiten kann.

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Daraufhin nahmen die Forscher die Immunabwehr der Pflanze genauer unter die Lupe. Es zeigte sich, dass der Pilz ohne Phosphatmangel im Boden mit der vollen Immunantwort der Pflanze konfrontiert wurde, während er bei Phosphatmangel die Pflanze besiedeln durfte. Auch die Produktion von Senfölglykosiden zur Feindabwehr, für die Kreuzblütler bekannt sind, wurde untersucht. Wurden die entsprechenden Gene zur Synthese von Glykosiden bei infizierten Pflanzen ausgeschaltet, kam es zu einem unkontrollierten Wachstum von Colletotrichum. Die Synthese von Senfölglykosiden ist also ein weiterer wichtiger Faktor für die erfolgreiche Zusammenarbeit von Pilz und Pflanze.

Verknüpfung zwischen Nährstoffversorgung und Immunabwehr

Die Forscher gehen daher davon aus, dass es eine Schaltstelle zwischen der PSR der Nährstoffversorgung und der Synthese von Glykosiden in der Immunabwehr geben muss. Meldet die PSR Phosphatmangel, wird die Synthese der Glykoside so verändert, so dass der Pilz einziehen, sich aber nicht unkontrolliert ausbreiten kann. In weiteren Forschungen soll nun der molekulare Weg untersucht werden.

Diese Erkenntnisse zeigen, dass Pflanzen sich mit gewissen Partner nur zusammentun, wenn die Umstände es erfordern. Die große Anzahl von Endophyten als mögliche Partner für Wild- und Kulturpflanzen beherbergt vermutlich ein großes Potential für die zukünftige Verbesserung der Böden und das Verfügbarmachen von Nährstoffen für die Pflanzen, so dass zusätzliche Düngung in geringeren Mengen und effizienter eingesetzt werden könnte. Allerdings sind die Mechanismen noch weitgehend unbekannt, so dass hier noch viel Forschungsarbeit geleistet werden muss.