Zukunftsträchtige Zweisamkeit - Molekulare Wurzel moderner Pflanzensymbiosen entdeckt?
Viele Pflanzen leben mit Pilzen oder Bakterien in mutualistischer Symbiose, also in einer Lebensgemeinschaft zu beiderseitigem Nutzen. Die Pflanzen profitieren, weil ihre mikrobiellen Mitbewohner ihnen verbesserten Zugang zu knappen Nährstoffen wie Stickstoff oder Phosphaten verschaffen. Die Juniorpartner dagegen beziehen energiereiche Kohlenhydrate aus der Photosynthese der Pflanzen. Eine uralte Form der Symbiose ist die so genannte Arbuskuläre Mykorrhiza, kurz AM, die vermutlich bereits während der Eroberung des terrestrischen Lebensraumes durch Pflanzen entstand. Ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Martin Parniske vom Institut für Genetik der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München stellt nun in der online frei zugänglichen Fachzeitschrift "Public Library of Science (PLoS) Biology" einen wesentlichen genetischen Schritt während der Evolution von Pflanzensymbiosen mit stickstoff-fixierenden Bakterien vor. Bei dieser Symbiose binden Bakterien in den Wurzelzellen der Pflanze den begehrten Stickstoff aus der Luft - und verschaffen ihrem Wirt damit einen bedeutenden ökologischen Vorteil. In einer weiteren Studie, die zeitgleich in der Zeitschrift "Proceedings of the National Academy of Sciences USA (PNAS)" erscheint, zeigen die Forscher in Zusammenarbeit mit einem französischen Team, dass unterschiedliche Formen der Stickstoff-fixierenden Wurzelsymbiose gemeinsame genetische Elemente aufweisen, also möglicherweise gleichen evolutiven Ursprungs sind. Potentiell könnte sich diese Symbiose in Zukunft auch auf andere Wirte übertragen lassen, etwa Reis und sonstige wichtige Pflanzen der Weltwirtschaft.
In fast allen terrestrischen Ökosystemen mangelt es Pflanzen an Nährstoffen, vor allem an Phosphat und Stickstoff. Symbiosen mit Phosphat sammelnden Pilzen oder Bakterien, die elementaren Luftstickstoff zu Ammonium reduzieren können, schaffen hier Abhilfe - und bieten den Wirtspflanzen einen entscheidenden Konkurrenzvorteil. Die Arbuskuläre Mykorrhiza ist eine weltweit vorkommende Symbiose zwischen höheren Pflanzen und Pilzen aus der Gruppe der Glomeromycota. Die uralte Assoziationsform ist vermutlich vor über 400 Millionen Jahren entstanden und wird heute von rund 80 Prozent aller Landpflanzen betrieben. In der Symbiose nimmt der Pilz über ein umfangreiches Bodenmyzel aus fadenförmigen Zellen, den Hyphen, gelöste Nährstoffe und Mineralien, insbesondere Phosphate, auf und macht diese der Wirtspflanze zugänglich. "Diese uralte Symbioseform ist für viele Pflanzen von zentraler oder sogar überlebensnotwendiger Bedeutung", sagt Parniske.
Das genetische Programm, das die Arbuskuläre Mykorrhiza ermöglicht, ist nach neueren Erkenntnissen ebenfalls weit verbreitet - und hat sich möglicherweise über die Jahrmillionen nur unwesentlich verändert. Vom evolutionären Standpunkt aus ist interessant, dass der entwicklungsgeschichtlich alten Arbuskulären Mykorrhiza eine Art 'genetische Mutterrolle' für eine weiter, deutlich jüngere Form der Wurzelsymbiose zugeschrieben wird", so Parniske. "Bei dieser so genannten Wurzelknöllchensymbiose leben Bakterien in den Wurzelzellen der Wirtspflanzen, wo sie in speziellen Organen, den Knöllchen, elementaren Stickstoff aus der Luft fixieren. Diese Art des Zusammenlebens kennt man von von Leguminosen wie Bohnen, Erbsen und Soja." Die Leguminosen gehören damit zu der kleinen Gruppe von Pflanzen mit der Fähigkeit, ihre bakteriellen Partner ins Innere der Pflanzenzelle aufzunehmen. Dies wiederum ermöglicht, ähnlich wie bei der ebenfalls intrazellulären Arbuskulären Mykorrhiza, einen besonders engen Kontakt und effizienten Stoffaustausch zwischen Wirt und Gast.
Welche genetischen Veränderungen jedoch die Entstehung dieser besonderen Art der Symbiose ermöglichten, war bislang unklar. Es wird seit längerem vermutet, dass eine Rekrutierung von Genen der Arbuskulären Mykorrhiza einen wesentlichen Schritt darstellt, um deren konserviertes pflanzliches Programm auch für intrazelluläre Symbiosen mit Bakterien nutzbar zu machen. Ein wichtiger Hinweis hierauf ist, dass mehrere Gene einem gemeinsamen genetischen Programm angehören, das AM und die stickstofffixierende Wurzelknöllchensymbiose verbindet. Ein Beispiel dafür ist das so genannte "Symbiose-Rezeptor-Kinase"-Gen, kurz SYMRK. "Wir konnten jetzt zeigen, dass SYMRK in verschiedenen Pflanzenlinien eine strukturelle und funktionelle Diversifizierung aufweist, die unter bekannten Symbiosegenen einmalig ist", berichtet Parniske. "Unsere Befunde legen offen, dass eine Funktionserweiterung von SYMRK einen wichtigen Schritt in der Evolution intrazellulärer Knöllchensymbiosen darstellte." Eine längere Variante von SYMRK könnte einer Rekrutierung von AM-Genen für bakterielle Knöllchensymbiosen zugrunde liegen, weil sie einen entsprechend erweiterten Funktionsumfang besitzt und in allen betroffenen Pflanzengruppen zu finden ist. Dazu gehören die Leguminosen, aber auch die so genannten Aktinorhizapflanzen wie Erle und Sanddorn, die mit Frankia-Bakterien Symbiosen eingehen.
"Insgesamt weisen die Erkenntnisse beider Studien auf einen gemeinsamen evolutionären Ursprung intrazellulärer Wurzelsymbiosen mit stickstofffixierenden Bakterien hin", so Parniske. "Unsere Arbeit bietet jetzt wesentliche Einblicke in die genetische und evolutive Grundlage dieser hochentwickelten Symbiosen. Dabei sind die genetischen Unterschiede zwischen Leguminosen und nicht stickstofffixierenden Pflanzen auch von großem biotechnologischen Interesse. In natürlichen Systemen ist diese Art des Zusammenlebens nämlich auf wenige Wirtsgruppen beschränkt - die dann aber erheblich davon profitieren. Dies ist auch eine ökonomisch sehr wünschenswerte Eigenschaft, da die Produktion von Stickstoffdünger in erheblichem Umfang Energie und damit fossile Brennstoffe verbraucht. Noch sind Untersuchungen nötig, um weitere genetische Besonderheiten knöllchenbildender Pflanzen aufzuklären. Eines Tages könnte es dann möglich sein, die Knöllchensymbiose auch auf andere Pflanzen zu übertragen - etwa Getreide oder andere wichtige Pflanzen der Weltwirtschaft."
Publikationen:
Functional adaptation of a plant receptor-kinase paved the way for the evolution of intracellular root symbioses with bacteria. Markmann K, Giczey G, Parniske M,
PLoS Biol 6(3): e68, 4. März 2008
doi:10.1371/journal.pbio.0060068
"SymRK defines a common genetic basis for plant root endosymbioses with AM fungi, rhizobia and Frankia bacteria",
Hassen Gherbi, Katharina Markmann, Sergio Svistoonoff, Joan Estevan, Daphné Autran, Gabor Giczey, Florence Auguy, Benjamin Péret, Laurent Laplaze, Claudine Franche, Martin Parniske, and Didier Bogusz,
PNAS, 4. März 2008
Ansprechpartner:
Professor Dr. Martin Parniske
Department Biologie I der LMU
Tel.: 089 / 2180 - 6150
Fax: 089 / 178 56 33
E-Mail: parniske@lmu.de
Web: www.genetik.biologie.uni-muenchen.de/research/parniske
