Wie Pflanzen ihren Symbiosepartnern näherkommen

Düngerproduktion im eigenen Keller: Leguminosenpflanzen wie etwa Erbsen, Bohnen und verschiedene Kleearten erhalten von symbiotische Bodenbakterien in spezialisierten Strukturen ihrer Wurzeln organischen Stickstoff, den sie zum Wachstum brauchen. Ein Team um den Zellbiologen Prof. Dr. Thomas Ott, von der Fakultät für Biologie der Universität Freiburg, hat nun einen Faktor in den Wurzelzellen nachgewiesen, den die Pflanzen für den ersten physischen Kontakt mit diesen so genannten Knöllchenbakterien benötigen, die im Boden leben. Sie entdeckten ein nur in Leguminosen vorkommendes Protein namens Symbiotic Formin 1 (SYFO1) und wiesen seine essentielle Rolle für die Symbiose nach. Zusammen mit dem Molekularbiologen Prof. Dr. Robert Grosse von der Medizinischen Fakultät der Universität Freiburg und dem Evolutionsbiologen Dr. Pierre-Marc Delaux vom Laboratoire de Recherche en Sciences Végétales (LRSV) in Toulouse/Frankreich veröffentlicht das Team die Ergebnisse im Fachmagazin Current Biology.

Trifft ein Knöllchenbakterium im Boden auf die Wurzeln der Leguminosen, verursacht das SYFO1-Protein, dass die Härchen der Wurzel die Wachstumsrichtung verändern. Sie umwickeln so den potenziellen Partner für die Symbiose. Dank dieser bakteriellen Mitbewohner brauchen Leguminosen im Gegensatz zu anderen Pflanzen keinen stickstoffhaltigen Dünger. „Wenn wir genau verstehen, wie die Symbiose zustande kommt, könnten wir Nutzpflanzen diese besondere Eigenschaft zurückgeben, die sie im Laufe der Evolution verloren haben“, sagt Ott. Sowohl er als auch Grosse sind Mitglieder im Exzellenzcluster CIBSS – Centre for Integrative Biological Signalling Studies. Ott erforscht bei CIBSS die räumliche Organisation der Signalwege, die die Symbiose mit Knöllchenbakterien erst ermöglichen. Grosses Spezialgebiet in Freiburg ist jedoch das Skelett tierischer Zellen. „In unserer Kooperation, die uns CIBSS ermöglicht, konnten wir unsere unterschiedliche fachliche Expertise bestmöglich einbringen“, sagt Ott.

Das Team zeigt in der Leguminose Medicago truncatula (Schneckenklee), dass in Pflanzen, bei denen das Gen für SYFO1 ausgeschaltet wurde, die Wurzelhaare kaum noch die Bakterien umschließen können. In weiteren Untersuchungen wiesen die Forschenden nach, dass das Protein an Aktin, ein Bestandteil des Zytoskeletts, und gleichzeitig an die außerhalb der Zellen liegende Zellwand bindet und somit die Wachstumsrichtung verändert: statt gerade zu wachsen, ändern die Härchen nun die Richtung und bilden eine Schlaufe um das Bakterium aus.

„SYFO1 stellt einen besonderen Innovationsschritt in der Evolution der Pflanzen dar“, erklärt Ott. „Während Formin-Proteine in vielen Formen in Zellen vorkommen und mit Aktin interagieren, antwortet dieser spezifische Typus aber nur auf Symbiosesignale der Bakterien.“ 

Originalveröffentlichung
Pengbo Liang, Clara Schmitz, Beatrice Lace, Franck Anicet Ditengou, Chao Su, Eija Schulze, Julian Knerr, Robert Grosse, Jean Keller, Cyril Libourel, Pierre-Marc Delaux, Thomas Ott (2021): Formin-mediated bridging of cell wall, plasma membrane, and cytoskeleton in symbiotic infections of Medicago truncatula. In: Current Biology, https://doi.org/10.1016/j.cub.2021.04.002

CIBSS – Centre for Integrative Biological Signalling Studies