Tief verwurzeltes Teamwork Selbstdüngung von Hülsenfrüchten dank Symbiose und Schlüsselprotein

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Unter der Erde arbeiten Pflanzen und Mikroben eng zusammen: an vielen Wurzeln tauschen die Spezies Nährstoffe und Ressourcen tauschen. Nun hat ein Forschungsteam aufgedeckt, wie Hülsenfrüchte die Mikroben in ihre Wurzeln lassen. Ein Protein spielt dabei eine Schlüsselrolle.

Wer glaubt, jede Pflanze ist bei ihrem Wachstum auf sich allein gestellt, irrt. Die meisten Pflanzen lassen pilzartige Mikroorganismen in ihre Wurzelzellen eindringen, stellen ihnen Kohlenhydrate bereit und werden im Gegenzug besser mit Nährstoffen und Wasser versorgt. Dieser Ressourcenaustausch hilft beiden Seiten und ist daher ein weit verbreitetes Phänomen in der Pflanzenwelt. Es gibt jedoch noch eine Gruppe von Spezialisten mit einer ganz eigenen Strategie: Hülsenfrüchte wie Erbsen, Bohnen und Klee gehen eine zusätzliche Symbiose mit stickstofffixierenden Bodenbakterien ein. Die Allianz mit so genannten Rhizobien ermöglicht es ihnen, sich selbst mit dem für ihr Wachstum wichtigen Stickstoff aus der Luft zu versorgen.

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Protein stößt Umbau des Zellskeletts an

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, haben nun ein neues Detail zu der Zusammenarbeit von Bodenbakterien und Hülsenfrüchten aufgedeckt.

SYFO2, ein bislang wenig erforschtes Protein, das in den Wurzeln von Hülsenfrüchten und anderen Pflanzen vorkommt, spielt eine Schlüsselrolle bei der Selbstdüngung von Hülsenfrüchten. Das Protein ermöglicht es Rhizobien, 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.

Kombination verschiedener Verfahren

Das internationale Team wies diesen Prozess mithilfe einer Kombination aus bildgebenden, molekularbiologischen und genetischen Verfahren nach. Darüber hinaus gelang es den Forschenden, die tomateneigene Version von SYFO2 zu aktivieren, indem sie einen Regulationsfaktor der Wurzelknöllchensymbiose mit stickstofffixierenden Bakterien einbrachten, den Transkriptionsfaktor NIN.

Die Studie erweitert das Verständnis darüber, wie tomateneigene Symbiose-Gene gesteuert werden können. Sie legt den Grundstein für zukünftige Bemühungen, die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Rhizobien zu verbessern und die Fähigkeit zur Stickstofffixierung auf Nutzpflanzen zu übertragen – mit dem Ziel, den Bedarf an Düngemitteln zu reduzieren. Die Forschungsergebnisse sind im Fachmagazin Science erschienen. Die Arbeit wurde von Prof. Dr. Robert Grosse, Direktor des Instituts für Experimentelle und Klinische Pharmakologie und Toxikologie an der Medizinischen Fakultät und CIBSS-Mitglied, unterstützt.

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Auch für Mykorrhiza-Symbiose erforderlich

Die Wissenschaftler machten noch eine weitere Entdeckung: SYFO2 ist bei einigen Pflanzen, die keine Symbiose mit stickstofffixierenden Bakterien eingehen, für die Entstehung der häufigsten und evolutionär ältesten Form der Symbiose erforderlich – 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.“

Originalpublikation: Lijin Qiao et al.: Nanodomain-localized formin gates symbiotic microbial entry in legume and solanaceous plants, Science Vol 391, Issue 6789, 1036-1045, 5 Mar 2026; DOI:10.1126/science.adx8542

Diese Meldung ist zuvor bei unserer Schwestermarke www.foodtec-insider.de erschienen.

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