Forscher der Universität Freiburg haben gemeinsam mit einem internationalen Team herausgefunden, wie unerlässlich ein bislang wenig charakterisiertes Protein für die Besiedlung von Hülsenfrüchten (wie Erbsen, Bohnen und Klee) mit nützlichen Bakterien ist. Darüber hinaus ist es ihnen gelungen, dieses Protein in der nicht zu den Hülsenfrüchten zählenden Tomatenpflanze zu aktivieren. Mithilfe einer Kombination aus bildgebenden, molekularbiologischen und genetischen Verfahren entdeckten sie eine neue Funktion für SYFO2, ein Protein in den Wurzeln von Hülsenfrüchten, das für die Bildung der Symbiose zwischen stickstofffixierenden Bakterien und Hülsenfrüchten entscheidend ist. 

Prof. Dr. Thomas Ott, Pflanzenbiologe an der Universität Freiburg und Mitglied des Exzellenzclusters CIBSS – Centre for Integrative Biological Signalling Studies, und sein Team untersuchen Signalprozesse, die es Bakterien ermöglichen, in die Wurzeln von Pflanzen einzudringen, um dort Stickstoff für die Pflanze zu binden. Ihre in Science veröffentlichte gemeinsame Studie verbessert unser Verständnis davon, wie die tomateneigenen Symbiose-Gene gesteuert werden können. Sie legt den Grundstein für zukünftige Bemühungen, die nützlichen Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Mikroben zu verbessern und die Fähigkeit zur Stickstofffixierung auf Nutzpflanzen zu übertragen, mit dem langfristigen Ziel, den Bedarf an Düngemitteln zu reduzieren.

Symbiose zwischen Pflanzenwurzeln und Bodenbakterien aufbauen

Die meisten Pflanzen lassen pilzartige Mikroorganismen in ihre Wurzelzellen eindringen, um im Gegenzug für die Bereitstellung von Kohlenhydraten besser mit Nährstoffen und Wasser versorgt zu werden. Nur Hülsenfrüchte gehen eine zusätzliche, für beide Seiten vorteilhafte Symbiose mit Bodenbakterien ein, den sogenannten Rhizobien. In diesem seit Urzeiten bestehenden Prozess infizieren die Bakterien die Wurzelzellen und lösen die Bildung von Wurzelknöllchen aus, speziellen Wurzelstrukturen, die sie besiedeln. In diesen Knöllchen wandeln die Rhizobien Stickstoff aus der Luft in Ammoniak um – ein natürlicher Dünger für die Pflanze.

Die frühe Phase der Rhizobieninfektion ist streng reguliert. Zunächst wickelt sich ein Wurzelhaar, das das Bakterium entdeckt, um dieses herum und fängt es ein. Die Membran, die das Wurzelhaar auskleidet, baut sich dann um und bildet einen Infektionsfaden, eine tunnelartige Struktur, durch die das Bakterium tiefer in die Wurzelzelle vordringen kann. Schließlich löst diese Interaktion das genetische Programm der Pflanze zur Knöllchenbildung aus. Wie genau die Membran des Wurzelhaars umgebaut wird und welche molekularen Wege dabei eine Rolle spielen, ist Gegenstand aktueller Forschungen. Um den Infektionsfaden („infection thread“) zu bilden, benötigt die Wurzelhaarzelle ihr Zytoskelett, ein dynamisches Netzwerk aus Proteinfasern wie Aktin.

Entscheidender Schritt, um stickstofffixierende Bakterien einzulassen

In ihrer Arbeit charakterisieren Ott und seine Kollaborateure die Funktion des Formin-ähnlichen Proteins SYFO2 in den Anfangsstadien der Rhizobieninfektion einer Hülsenfrucht (Medicago truncatula). Sobald die Bakterien von den Wurzelhaaren eingefangen sind, wird SYFO2 für die Reorganisation des Aktin-Zytoskeletts benötigt, ein wichtiger Schritt, der die intrazelluläre Infektion startet. „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 von der medizinischen Fakultät der Universität Freiburg unterstützt, der sein Fachwissen über die Dynamik von Aktinfilamenten in Säugetierzellen beisteuerte.

Ein uralter Torwächter von Symbiosen in Pflanzen

Das SYFO2-Protein ist im Laufe der Evolution nahezu unverändert geblieben und kommt in vielen verschiedenen Pflanzenarten vor – auch in solchen, die keine Symbiose mit stickstofffixierenden Bakterien eingehen. Bei einigen dieser Pflanzen konnten die Forschenden zeigen, dass SYFO2 für die Entstehung der häufigsten und evolutionär ältesten Form der Symbiose erforderlich ist: der Mykorrhiza-Symbiose zwischen Pflanzen und Pilzen. Ein wichtiges Ziel ist es, die Stickstofffixierung in Nicht-Hülsenfrüchten zu ermöglichen – ein Anliegen, das Ott und andere Forschende im Rahmen des internationalen Forschungsprojekts ENSA (Enabling Nutrient Symbioses in Agriculture), gefördert durch Gates Agricultural Innovations, verfolgen. Bei Tomaten, die zu den Nachtschattengewächsen (Solanaceae) gehören, gelang es dem Forschungsteam, die tomateneigene Version von SYFO2 zu aktivieren, indem es einen Regulationsfaktor der Wurzelknöllchensymbiose mit stickstofffixierenden Bakterien einbrachte. „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“, fasst Ott zusammen. Er fügt hinzu: „Im Rahmen von ENSA arbeiten wir gemeinsam an grundlegenden Forschungsfragen wie dieser, um vorteilhafte Symbiosen zwischen Nutzpflanzen und dem Bodenmikrobiom zu fördern, in der Hoffnung, eine nachhaltige Landwirtschaft zu stärken.“

Grundlagen für eine nachhaltige Landwirtschaft schaffen

Die Übertragung der Fähigkeit zur „Selbstdüngung“ auf Nutzpflanzen, die normalerweise keine stickstofffixierenden Bakterien beherbergen können, ist eine vielversprechende Strategie, um den Düngemittelbedarf der Landwirte zu senken und gleichzeitig die Ernteerträge aufrechtzuerhalten – beides entscheidende Faktoren für die globale Herausforderung der Ernährungssicherung. Innovationen, mit denen sich der Düngemitteleinsatz reduzieren lässt, könnten erhebliche Vorteile für die Umwelt und die menschliche Gesundheit mit sich bringen und gleichzeitig die Kosten für Landwirte weltweit senken, was zu einer nachhaltigeren und gerechteren Landwirtschaft führen würde.

Über ENSA

Enabling Nutrient Symbioses in Agriculture (ENSA) ist ein internationales wissenschaftliches Projekt, das sich mit der Erforschung vorteilhafter Wechselwirkungen zwischen Nutzpflanzen und dem Bodenmikrobiom befasst. Die wissenschaftlichen Erkenntnisse von ENSA sollen dazu beitragen, gerechte und ökologisch nachhaltige Innovationen im Pflanzenbau zu entwickeln, die die Erträge und Lebensgrundlagen von Landwirten weltweit verbessern.

Über Gates Ag One

Gates Agricultural Innovations (Gates Ag One) ist eine gemeinnützige Organisation, die bahnbrechende landwirtschaftliche Forschung vorantreibt, um den dringenden und oft vernachlässigten Bedürfnissen von Kleinbauern in Subsahara-Afrika und Südasien gerecht zu werden. Aus der Überzeugung heraus, dass alle Leben den gleichen Wert haben, setzt sich Gates Ag One für die Interessen von Kleinbauern ein, die am stärksten von Klimaextremen betroffen sind, aber keinen Zugang zu den neuesten landwirtschaftlichen Innovationen haben. Gates Ag One arbeitet daran, gleiche Wettbewerbsbedingungen zu schaffen und Kleinbauern zu befähigen, ihre landwirtschaftliche Produktivität, Ernährungssicherheit und Klimaresilienz zu verbessern. Erfahren Sie mehr unter gatesagone.org.

CIBSS-Profil von Prof. Dr. Thomas Ott

Die originale Veröffentlichung finden Sie hier.