Schlüsselprotein SYFO2 ermöglicht „Selbstdüngung“ von Hülsenfrüchten
Neue Perspektiven auf die Frage, wie der Einsatz von Düngemitteln bei Nutzpflanzen künftig reduziert werden könnte
Ein internationales Forschungsteam um Prof. Dr. Thomas Ott hat erstmals gezeigt: Das Protein SYFO2 ist dafür verantwortlich, dass stickstofffixierende Bakterien in der Lage sind, in Wurzelzellen von Hülsenfrüchten einzudringen. Damit schafft es die Grundlage dafür, dass sich die Pflanzen „selbst düngen“ können. Die Entdeckung, veröffentlicht im Fachmagazin Science, eröffnet neue Perspektiven, um die natürliche Stickstoffbindung künftig auch auf wichtige Nutzpflanzen wie Tomaten zu übertragen – und so den Einsatz von Düngemitteln langfristig zu reduzieren.
CIBSS-Wissenschaftler Prof. Dr. Thomas Ott.
Michael Spiegelhalter / Universität Freiburg
Die meisten Pflanzen lassen pilzartige Mikroorganismen in ihre Wurzelzellen eindringen, stellen ihnen Kohlenhydrate bereit und werden im Gegenzug besser mit Nährstoffen und Wasser versorgt. Nur Hülsenfrüchte wie Erbsen, Bohnen und Klee gehen eine zusätzliche, für beide Seiten vorteilhafte Symbiose mit stickstofffixierenden Bodenbakterien ein. Die Allianz mit sogenannten Rhizobien ermöglicht es ihnen, sich selbst mit dem für ihr Wachstum wichtigen Stickstoff aus der Luft zu versorgen.
Forschende um Prof. Dr. Thomas Ott, Professor für Zellbiologie der Pflanze an der Fakultät für Biologie und Mitglied des Exzellenzclusters CIBSS – Centre for Integrative Biological Signalling Studies, konnten im Rahmen des von der Organisation Gates Agricultural Innovations geförderten Projekts Enabling Nutrient Symbioses in Agriculture (ENSA) erstmals belegen: SYFO2, ein bislang wenig erforschtes Protein, das in den Wurzeln von Hülsenfrüchten und anderen Pflanzen vorkommt, spielt eine Schlüsselrolle bei der „Selbstdüngung“ von Hülsenfrüchten, da es Rhizobien ermöglicht, in die Wurzelzellen einzudringen. Sobald die Wurzelhaare der Pflanzen die Bakterien eingefangen haben, stößt SYFO2 den Umbau des Zellskeletts (Aktin-Zytoskelett) an – der entscheidende Schritt, damit Bakterien in die Wurzelzelle gelangen und diese im Inneren infizieren können. Infolge der Infektion bilden sich kleine Knöllchen entlang der Pflanzenwurzeln, in denen Rhizobien Stickstoff aus der Luft binden und für die Pflanze nutzbar machen.
Das internationale Team konnte diesen Prozess mithilfe einer Kombination aus bildgebenden, molekularbiologischen und genetischen Verfahren nachweisen. Darüber hinaus ist es den Wissenschaftler*innen gelungen, die tomateneigene Version von SYFO2 zu aktivieren, indem sie einen Regulationsfaktor der Wurzelknöllchensymbiose mit stickstofffixierenden Bakterien, den Transkriptionsfaktor NIN, einbrachten.
Die Studie mit dem Titel Nanodomain-localized formin gates symbiotic microbial entry in legume and solanaceous plants erweitert das Verständnis darüber, wie tomateneigene Symbiose-Gene gesteuert werden können. Sie legt den Grundstein für zukünftige Bemühungen, die nützlichen Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Rhizobien zu verbessern und die Fähigkeit zur Stickstofffixierung auf Nutzpflanzen zu übertragen – mit dem langfristigen Ziel, den Bedarf an Düngemitteln zu reduzieren. Die Forschungsergebnisse sind im Fachmagazin Science erschienen.
Grundlage für Schlüsselprozess identifiziert
„Die meisten Hülsenfrüchte haben ausgeklügelte Mechanismen entwickelt, um symbiotischen Bakterien den Eintritt in die Zelle zu ermöglichen“, sagt Ott. „In dieser Studie haben wir die molekulare Grundlage für einen Schlüsselprozess identifiziert, bei dem die Pflanze vom ‚Einfangen der Bakterien‘ zum ‚Öffnen der Tür‘ für sie übergeht.“ Die Arbeit wurde zusätzlich von CIBSS-Forscher Prof. Dr. Robert Grosse, Direktor des Instituts für Experimentelle und Klinische Pharmakologie und Toxikologie an der Medizinischen Fakultät und CIBSS-Mitglied,unterstützt.
Ferner konnten die Forschenden zeigen, dass SYFO2 bei einigen Pflanzen, die keine Symbiose mit stickstofffixierenden Bakterien eingehen, für die Entstehung der häufigsten und evolutionär ältesten Form der Symbiose erforderlich ist: der Mykorrhiza-Symbiose zwischen Pflanzen und Pilzen. Vor diesem Hintergrund und mit Blick auf die erfolgreiche Aktivierung des Proteins in Tomatenpflanzen fasst Ott zusammen: „Dieses Ergebnis ist besonders interessant, weil es zeigt, dass Gene, die normalerweise an der Mykorrhiza-Symbiose beteiligt sind, auch dazu genutzt werden können, um eine bakterielle Stickstofffixierungssymbiose in Pflanzen zu ermöglichen.“
Originalveröffentlichung
Lijin Qiao, Heng Sun, Jiping Tang, Casandra Hernández-Reyes, Beatrice Lace, Julian Knerr, Eija Schulze, Tak Lee, Jean Keller, Cyril Libourel, Jilin Yao, Feiyang Zhao, Ying Ni, Yutian Jia, Xia Xu, Guanghui Yang, Lin Zhang, Yanli Zhang, Robert Grosse, Changfu Tian, Giles E. D. Oldroyd, Pierre-Marc Delaux, Thomas Ott, Pengbo Liang; "Nanodomain-localized formin gates symbiotic microbial entry in legume and solanaceous plants"; Science, Volume 391
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