Wurzelsymbiose – Enge Freundschaft mit Kontrolle

Von Getreidepflanzen bis zum Baum: Mehr als 80 Prozent aller Landpflanzen leben in Symbiose mit Mykorrhiza-Pilzen. Die Pilze nehmen anorganische Nährstoffe – vor allem Phosphat – aus dem Boden auf und stellen sie den Pflanzen zur Verfügung.

Im Gegenzug versorgen Pflanzen die Pilze mit energiereichen Kohlenhydraten. Diese Symbiose ist schon vor über 400 Millionen Jahren entstanden und für viele Pflanzen lebenswichtig. Damit die Nährstoffübergabe funktioniert, dringen Pilzhyphen in die Wurzelzellen ein und bilden dort bäumchenartige Strukturen, die Arbuskeln (lat. Arbuscula = Bäumchen). Die Arbuskeln entlassen Mineralstoffe in die Pflanzenzelle.

„Die Ausbildung dieser ,Alien-Strukturen‘ innerhalb der Pflanzenzelle erfordert eine regulatorische und metabolische Meisterleistung von der Pflanze“, sagt die LMU-Biologin Caroline Gutjahr, die mit ihrem Team nun eine zentrale Schaltstelle für diesen Prozess identifizieren konnte. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachjournal Current Biology.

Wie stark der Pilz die Wurzeln besiedelt, hängt vom physiologischen Zustand der Pflanze ab, unter anderem von ihrem tatsächlichen Nährstoffbedarf: Bei guter Phosphatversorgung etwa wird die Arbuskelbildung gehemmt. „Es war aber bisher noch kein molekularer Mechanismus bekannt, der das Ausmaß der Arbuskelbildung mit den physiologischen Bedürfnissen der Pflanze verknüpfen könnte“, sagt Gutjahr.

Molekulare Schaltstelle

Um den Mechanismus der Arbuskelbildung besser zu verstehen, untersuchten die Wissenschaftler eine Mutante der Pflanze Lotus japonicus, eines unter anderem mit Bohnen, Erbsen und Linsen verwandten Kleegewächses, deren Arbuskelbildung gestört ist. „In dieser Pflanze entdeckten wir eine Mutation des Gens RAM1, das für die Aktivierung von Genen und somit für die Umsetzung genetischer Informationen in Boten-RNA verantwortlich ist, die anschließend in Proteine übersetzt wird“, sagt Gutjahr. „Die resultierenden Proteine sind dann wahrscheinlich sehr wichtig für die Ausführung der Arbuskelbildung in der Pflanzenzelle. Die Entschlüsselung ihrer Funktion werden wir uns in zukünftigen Forschungsprojekten vornehmen.“

Während der Arbuskelbildung wird das RAM1 Gen selbst sehr stark aktiviert, daher sind die Mechanismen dieser Aktivierung sehr interessant. Wie die Wissenschaftler entdeckten, sind an der Aktivierung gleich zwei regulatorische Proteine beteiligt: Zum einen ist es der Transkriptionsfaktor CYCLOPS, von dem sie bereits wussten, dass er eine Schlüsselrolle bei der Regulation von Wurzelsymbiosen spielt.

Das andere Protein namens DELLA war bisher nur aus anderen Zusammenhängen bekannt, und zwar als wichtiger Faktor in der Signalkette des Pflanzenhormons Gibberellin, in der es für die Regulation von Physiologie und Wachstum der Pflanze essenziell ist. „Erstaunlicherweise interagieren die beiden Proteine CYCLOPS und DELLA bei der Aktivierung von RAM1 sogar direkt“, sagt Prijya Pimprikar, Doktorandin in Gutjahrs Team und Erstautorin der Studie.

„Wir gehen davon aus, dass wir mit dieser Interaktion erstmals eine zentrale Schaltstelle gefunden haben, an der Informationen zur Symbiose und zur Physiologie der Pflanze direkt zusammenlaufen, sodass die Pflanze die Menge der Wurzelbesiedlung durch den Pilz an ihre physiologischen Bedürfnissen zum Beispiel den Nährstoffbedarf anpassen kann“, ergänzt Gutjahr.

Knappe Ressourcen einsparen

Die Symbiose zwischen Pflanzen und Mykorrhiza-Pilzen ist auch aus ökonomischer und ökologischer Sicht interessant, denn auf intensiv landwirtschaftlich genutzten Flächen werden jedes Jahr große Mengen Kunstdünger eingesetzt. Dieser Dünger enthält mineralisches Phosphat, eine endliche Ressource, die Voraussagen zufolge bereits innerhalb des nächsten Jahrhunderts zur Neige gehen könnte. „Die arbuskuläre Mykorrhiza kann helfen, Phosphatdünger einzusparen“, sagt Gutjahr. „Ein besseres Verständnis der Mechanismen der Arbuskelbildung ist dabei eine wichtige Voraussetzung, um die Effizienz dieser Symbiose durch pflanzenzüchterische Maßnahmen zu steigern.“

Publikation:
A CCaMK-CYCLOPS-DELLA complex activates transcription of RAM1 to regulate arbuscule branching
Priya Pimprikar, Samy Carbonnel, Michael Paries, Katja Katzer, Verena Klingl, Monica Bohmer, Leonhard Karl, Daniela S. Floss, Maria J. Harrison, Martin Parniske, Caroline Gutjahr
Current Biology 2016
http://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2016.01.069

Kontakt:
Dr. Caroline Gutjahr
Emmy Noether Forschungsgruppe: Entwicklungsbiologie der arbuskulären Mykorrhiza
Fakultät für Biologie – Genetik
LMU München
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