Freiburger Forschung entdeckt Schlüsselprotein für „Selbstdüngung“ von Pflanzen
Ein internationales Forschungsteam unter Leitung von Prof. Dr. Thomas Ott von der Universität Freiburg hat ein Protein identifiziert, das eine entscheidende Rolle bei der natürlichen Stickstoffversorgung von Hülsenfrüchten spielt. Das Protein mit dem Namen SYFO2 ermöglicht es bestimmten Pflanzen, mit Bodenbakterien zu kooperieren und sich dadurch selbst mit Stickstoff zu versorgen. Die Ergebnisse der Studie wurden im renommierten Fachmagazin Science veröffentlicht.
Hülsenfrüchte wie Erbsen, Bohnen oder Klee gehen eine besondere Symbiose mit sogenannten Rhizobien ein. Diese stickstofffixierenden Bodenbakterien können Stickstoff aus der Luft binden und für Pflanzen nutzbar machen. Im Gegenzug erhalten die Mikroorganismen Kohlenhydrate aus der Pflanze. Dadurch entsteht eine für beide Seiten vorteilhafte Partnerschaft, die es den Pflanzen ermöglicht, auf zusätzliche Stickstoffdüngung weitgehend zu verzichten.
Die Forschenden konnten nun erstmals zeigen, dass das Protein SYFO2 eine zentrale Rolle in diesem Prozess spielt. Es kommt in den Wurzeln von Hülsenfrüchten und auch in anderen Pflanzen vor und ermöglicht den Rhizobien den Eintritt in die Wurzelzellen. Nachdem die Bakterien von den Wurzelhaaren eingefangen wurden, stößt SYFO2 einen Umbau des sogenannten Aktin-Zytoskeletts in der Zelle an. Dieser Schritt öffnet den Bakterien gewissermaßen den Weg in das Zellinnere.
Dort entstehen entlang der Wurzeln kleine Knöllchen, in denen die Bakterien Stickstoff aus der Luft binden. Der gebundene Stickstoff wird anschließend der Pflanze zur Verfügung gestellt und unterstützt ihr Wachstum.
Im Rahmen des Projekts „Enabling Nutrient Symbioses in Agriculture“, das von der Organisation Gates Agricultural Innovations gefördert wird, gelang dem Team außerdem ein weiterer wichtiger Schritt. Die Wissenschaftler aktivierten die tomateneigene Version des Proteins SYFO2, indem sie den Transkriptionsfaktor NIN einbrachten, der normalerweise an der Bildung der Wurzelknöllchensymbiose beteiligt ist.
Die Studie mit dem Titel „Nanodomain-localized formin gates symbiotic microbial entry in legume and solanaceous plants“ liefert neue Erkenntnisse darüber, wie Symbiose-Gene in Pflanzen gesteuert werden können. Langfristig könnte dieses Wissen dazu beitragen, die Fähigkeit zur biologischen Stickstoffbindung auch auf andere Nutzpflanzen zu übertragen. Ziel solcher Ansätze ist es, den Einsatz von mineralischen Düngemitteln in der Landwirtschaft deutlich zu reduzieren.
Nach Angaben von Thomas Ott haben Hülsenfrüchte komplexe Mechanismen entwickelt, um symbiotischen Bakterien den Eintritt in ihre Zellen zu ermöglichen. Mit der aktuellen Studie sei nun die molekulare Grundlage eines entscheidenden Schrittes identifiziert worden, bei dem die Pflanze vom „Einfangen der Bakterien“ zum „Öffnen der Tür“ für diese Mikroorganismen übergeht.
Die Untersuchung zeigte außerdem, dass SYFO2 auch bei anderen Pflanzenarten eine Rolle spielt. Bei Pflanzen, die keine Symbiose mit stickstofffixierenden Bakterien eingehen, ist das Protein an der Mykorrhiza-Symbiose beteiligt, einer weit verbreiteten Partnerschaft zwischen Pflanzen und Pilzen. Diese Erkenntnis könnte künftig neue Möglichkeiten eröffnen, nützliche Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Mikroorganismen gezielt zu nutzen.