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Erste Signale für eine Symbiose

Einige Pilze töten Pflanzen ab, indem sie sie förmlich aussaugen. Aber es gibt auch „freundschaftliche“ Beziehungen. Die sogenannte Arbuskuläre Mykorrhiza ist eine Gemeinschaft von Pflanze und Pilz, bei der beide Partner Nährstoffe austauschen. Und die – würde man sie kontrolliert kultivieren - im Rahmen einer nachhaltigen Landwirtschaft Dünger und Pestizide obsolet machen. Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Natalia Requena vom Karlsruhe Institut für Technologie (KIT) untersucht, welche molekularen Geschehnisse an der Schnittstelle zwischen Pilz und Pflanze den ersten Kontakt ermöglichen. Wie unterscheidet die Pflanze „gute“ von „bösen“ Pilzen? Wie reguliert sie die Ausbildung einer funktionierenden Symbiose?

Pflanzen und Pilze haben unterschiedliche Schwächen und Stärken – was läge da näher, als sich zusammenzuschließen? Tatsächlich bilden die meisten Pflanzen Zweckgemeinschaften mit sogenannten Mykorrhiza-Pilzen, die ihnen helfen, Nährsalze und Wasser aus dem Boden zu gewinnen und die sie sogar vor Schädlingen schützen können. Im Gegenzug liefern die Grünlinge Zucker und andere Kohlenhydrate, die sie durch Photosynthese erzeugen. Eine Win-win-Situation - in einem natürlichen Ökosystem sind so gut wie alle Pflanzenwurzeln im Boden mit Pilzen in sogenannten Arbuskulären Mykorrhiza-Gemeinschaften vergesellschaftet. „Die beidseitige Beziehung ist so vorteilhaft, dass kontrolliert kultivierte Mykorrhiza-Symbiosen chemische Dünger und Pestizide bei der Zucht von Kulturpflanzen weniger notwendig machen könnten“, sagt Prof. Dr. Natalia Requena, Leiterin der Arbeitsgruppe Pflanzen-Mikroben-Interaktionen am Institut für Angewandte Biowissenschaften des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). „Aber um Mykorrhiza-Pilze irgendwann für eine nachhaltige Landwirtschaft zu verwenden, muss zunächst verstanden werden, wie die komplexen Beziehungen reguliert werden.“

Kuppler zwischen Pflanze und Pilz

Der gewöhnliche Hornklee geht Symbiosen mit Mykorrhiza-Pilzen ein und ist eines der Forschungsobjekte der Forscher vom KIT. © Johannes Kühnel

Requena und ihre Mitarbeiter interessieren sich in erster Linie für die frühen molekularen Prozesse, die an der Schnittstelle zwischen Pflanze und Pilz ablaufen. Welche Signale tauschen die Symbionten aus, um sich im Boden gegenseitig zu erkennen? Wie unterscheidet die Pflanze die Mykorrhiza-Pilze von pathogenen Verwandten? Welche genetischen Programme werden in ihr in Gang gesetzt, damit die Symbiose sich ausbilden kann? Um diese Fragen zu beantworten, markieren die Karlsruher Forscher verschiedene Gene in ihren Modellpflanzen wie dem Hornklee, der Tomate oder der Kartoffel mithilfe von leuchtenden Proteinen. Dann bringen sie ihre Grünlinge mit dem Pilz Glomus intradices in Kontakt. Sie beobachten die Veränderung in der Leuchtaktivität der Gene, während die Pflanzen durch den Mykorrhiza-Pilz kolonialisiert werden. Auf diese Weise haben sie einige Gene entdeckt, die eingeschaltet werden, wenn die Mykorrhiza-Pilze die Wurzeln besiedeln und eine Symbiose ausbilden.

Eines von diesen Genen codiert zum Beispiel für ein Protein, das im Endoplasmatischen Retikulum der Pflanzenzellen sitzt. Es handelt sich dabei vermutlich um einen Rezeptor für Steroide, die als Botenstoffe fungieren können. Schaltet man das Protein durch Genmanipulation aus, dann können die Pilze innerhalb der Pflanzenzellen nicht mehr überleben, die Symbiose bricht zusammen. „Es könnte sein, dass dieses Protein Signale des Pilzes bindet und eine Meldung an den Zellkern macht, woraufhin in diesem das genetische Symbiose-Programm eingeleitet wird“, sagt Requena. In weiteren Untersuchungen wollen sie und ihr Team diese Hypothese überprüfen. Verstehen Forscher, wie solche Erkennungs- und Signalmechanismen funktionieren, können sie sie unter Umständen manipulieren und so den Verlauf von Pilz-Pflanze-Symbiosen steuern.

Wer behält die Kontrolle?

Pflanzenwurzeln, die mit Mykorrhiza-Pilzen belegt sind © Wikipedia

Was aber sind es für Signale, mit denen die Mykorrhiza-Pilze auf sich aufmerksam machen? In einem anderen Experiment stellten die Forscher um Requena fest, dass eine Pflanze ihre genetischen Programme für eine Symbiose aktiviert, noch bevor der Pilz in direkten Kontakt mit ihr tritt. „Wir haben unsere Pflanzen zusammen mit Mykorrhiza-Pilzen kultiviert, haben aber zwischen beide eine Membran eingespannt, durch die die Pilzfortsätze nicht hindurch kommen“, sagt Requena. „Wir konnten sehen, dass auch in diesem Fall die Gene eingeschaltet werden, die für eine Symbiose notwendig sind.“ Die Forscher schlussfolgern, dass der Pilz Signale aussendet, die sich frei durchs Medium oder durch den Boden bewegen können. Erst wenn die Pflanze diese Signale empfangen hat, kommt ein erster physischer Kontakt zustande. Mit Hilfe von biochemischen Experimenten wollen Requena und ihr Team nun untersuchen, um was für Substanzen es sich bei diesen Signalen handelt.

Hat sich eine Symbiose erfolgreich ausgebildet, dann ist noch lange nicht sicher, dass sie dauerhaft sein wird. Eine wichtige Frage ist, wie der Stoffaustausch zwischen den Symbionten reguliert wird. Wer entscheidet, wie viel Zucker, Mineralien oder Wasser ausgetauscht wird? „Wir glauben, dass die Pflanze die Kontrolle über den Grad der Symbiose behält“, sagt Requena. Hinweise darauf haben einige Experimente in ihrer Gruppe geliefert, die demnächst publiziert werden. Ein Stoff, den die Pflanze von dem Pilz bezieht, ist das Phosphat. Seit Langem war bekannt, dass Pflanzen eigene Phosphat-Aufnahmemechanismen haben. Ist genügend Phosphat im Boden, dann gehen sie keine so intensive Beziehung mit den Mykorrhiza-Pilzen ein, sie verlassen sich auf sich selbst. Erst wenn Phosphat knapp wird, vertieft sich die Symbiose. Die Wissenschaftler um Requena konnten kürzlich beobachten, dass die Menge an Zucker, die eine Pflanze liefert, im Großen und Ganzen immer der Menge an erhaltenem Phosphat entspricht. Offenbar kalkuliert die Pflanze genau, wie viel sie durch ihre Abgabe verliert und wie viel sie im Gegenzug profitiert.

Angriffe und eine nachhaltige Landwirtschaft

Von vielen verschiedenen Seiten nähern sich die Karlsruher Forscher ihren Symbiose-Modellen. „Unser interessantestes Projekt ist momentan die Untersuchung eines Pilzproteins, das während der frühen Kolonialisierungsphase in die Zellkerne der Pflanzenzellen wandert“, sagt Requena. „Wir vermuten, dass dieses Molekül die Verteidigungsmechanismen der Pflanze ausschaltet, die normalerweise in Gang kommen, sobald ein fremder Organismus in Kontakt mit den Wurzeln tritt.“ Die Verteidigungsmechanismen sollen die Pflanze normalerweise vor pathogenen Pilzen oder Bakterien schützen. Mykorrhiza-Pilze müssen diese Reaktion umgehen. Moleküle, die so etwas bewerkstelligen, heißen Effektoren. In zahlreichen pathogenen Mikroorganismen wurden solche Effektoren entdeckt und in ihrer Funktion erforscht. Bei Mykorrhiza-Pilzen waren sie bisher nicht bekannt. „Wir haben damit den allerersten Effektor in einem Mykorrhiza-Pilz gefunden“, sagt Requena. Auf welche Weise das Molekül seine Funktion im Zellkern der Pflanzenzelle ausübt, steht nun im Fokus der Forschung.

Requena und ihre Mitarbeiter verstehen sich in erster Linie als Grundlagenforscher. Sie untersuchen molekulare Mechanismen und Signalwege in der Interaktion zwischen symbiontisch lebenden Organismen. „Aber ich habe schon vor meiner Ankunft in Karlsruhe immer auch im Hinblick auf die Anwendung hin geforscht“, sagt die Wissenschaftlerin. Kulturpflanzen unabhängig von chemischen Düngern und Pestiziden zu machen, wäre ein großer Schritt in Richtung einer nachhaltigen und ökologiebewussten Landwirtschaft. Die biologischen Wechselbeziehungen in den Ökosystemen in ihrer Gesamtheit zu begreifen, wäre hierfür wichtig. Denn nur dann können sie auch für menschliche Zwecke ausgenutzt werden.

Glossar

  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Pathogenität ist die Fähigkeit, eine Krankheit zu verursachen. Man unterscheidet zwischen human-, tier- und pflanzenpathogenen Erregern, die eine Krankheit spezifisch bei Mensch, Tier oder Pflanze hervorrufen.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Rezeptoren sind Moleküle, die u. a. auf Zelloberflächen anzutreffen sind und die in der Lage sind, ein genau definiertes Molekül – ihren Liganden – zu binden. Das Zusammentreffen von Ligand und Rezeptor kann eine Abfolge von Reaktionen innerhalb der Zelle auslösen.
  • Biochemie ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen und liegt damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Biologie und Physiologie.
  • Symbiose im biologischen Kontext ist das Zusammenleben von zwei oder mehr verschiedenen Arten, das für alle vorteilhaft ist.
  • Unter Photosynthese wird die Erzeugung hochmolekularer energiereicher Verbindungen (Glukose) aus einfachen Molekülen (Kohlendioxid, Wasser) verstanden, wobei beträchtliche Mengen Sauerstoff entstehen. Chlorophyllhaltige Organismen (höhere Pflanzen, Algen, phototrophe Bakterien) nutzen dafür die Sonnenlichtenergie.
  • Als Ökosystem wird das Zusammenleben zwischen den Lebewesen in ihrer Umwelt bezeichnet.
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