Ein Tauschgeschäft mit gegenseitigem Nutzen

Pflanzen und Mikroorganismen leben schon seit Millionen von Jahren in engem Kontakt zueinander und haben sich dadurch im Laufe der Zeit aneinander angepasst. Die Pilze aus der Klasse der arbuskulären Mykorrhizapilze leben in Symbiose mit auf dem Land lebenden Pflanzen und haben es sich zur Aufgabe gemacht, ein Tauschgeschäft mit ihren Wirtspflanzen einzugehen. Manche Landpflanzen leben in Regionen mit sehr nährstoffarmen Böden und leiden daher oftmals an Phosphatmangel. Hier kommen die Mykorrhizapilze ins Spiel, denn sie haben sich darauf spezialisiert, große Mengen Phosphat aus dem Boden aufzunehmen und einen Teil davon an die Pflanze abzutreten.

Mykorrihzapilze haben vor vielen Jahrmillionen die Fähigkeit verloren, wichtige Fettsäuren selbst herzustellen. Fettsäuren sind aber ein zentraler Bestandteil jeder Zelle, denn sie sind die Bausteine der Zellmembran und wichtig für das Speichern von Energie. Ohne eine Membran oder genügend Energie kann eine Zelle nicht überleben. Pflanzen betreiben Photosynthese und haben dadurch immer eine große Menge an Kohlenhydraten verfügbar. Aus diesen Kohlenhydraten stellt die Pflanze Fettsäuren her, die sie schließlich dem Pilz im Gegenzug für das Phosphat zur Verfügung stellt (siehe Abb. 1).

Dieses Tauschgeschäft hat sich nun seit Jahrmillionen bewährt und bietet auch Vorteile für Pilze, die nicht zur Gruppe der arbuskulären Mykorrhizapilze gehören. Jeder gibt die Nährstoffe ab, die er im Überfluss hat und erhält die Stoffe, die für ihn selbst nur schwer zu bekommen sind. Um zu gewährleisten, dass die Nährstoffe auch nur zwischen den Symbiose-Partnern ausgetauscht werden, wachsen die Pilze teilweise ins Innere der Pflanze. Insbesondere die arbuskulären Mykorrhizapilze bilden dort spezielle, stark verzweigte Strukturen aus, um eine möglichst große Oberfläche für den Nährstoffaustausch zu generieren (siehe Abb. 2). Diese Strukturen heißen Arbuskeln (lateinisch; arbusculum = Bäumchen) und haben den arbuskulären Mykorrhizapilzen ihren Namen gegeben.

Wir als Wissenschaftler*innen sind sehr daran interessiert, die Mechanismen, welche diesem Nährstoffaustausch zwischen Pflanze und Pilz zugrunde liegen, besser zu verstehen und ihn für uns nutzbar zu machen. Wenn wir das System gut genug verstehen, könnten wir es so verändern, dass der Pilz nicht nur Phosphat, sondern auch noch andere wichtige Nährstoffe an die Pflanze liefert. Dann könnte der Landwirt den Einsatz von Kunstdünger für seine Kulturpflanzen verringern, denn der Pilz könnte diese Aufgabe zumindest teilweise übernehmen. Zusätzlich könnte man den Pilz an jede Pflanze und ihre Umweltbedingungen anpassen, um eine optimale Nährstoffversorgung der Pflanze zu gewährleisten.

Um diesem Ziel einen Schritt näher zu kommen, versuche ich zusammen mit meinem Kollegen Hang Lu diesen Nährstoffaustausch aus der Mykorrhizasymbiose in einer Pflanze und einem Pilz nachzuahmen, die dieses System normalerweise nicht verwenden. Dazu nutzen wir die Pflanze Arabidopsis thaliana (oder auch Acker-Schmalwand, kurz: Arabidopsis). Sie ist eine sogenannte Modellpflanze, denn sie wird in der Wissenschaft in vielen verschiedenen Forschungsbereichen verwendet und ist vielseitig einsetzbar. Da Arabidopsis in freier Natur keinen Nährstoffaustausch mit Mykorrhizapilzen durchführen kann, eignet sie sich sehr gut für unser Vorhaben. Als Pilz eignet sich Colletotrichum tofieldiae (kurz: Colletotrichum) sehr gut, denn er ist ähnlich aufgebaut wie Mykorrhizapilze, gehört aber eigentlich zu einer Gruppe, aus der mehrere Pflanzenschädlinge bekannt sind. Im Gegensatz zu seinen nahen Verwandten ist Colletotrichum selbst aber nützlich für Arabidopsis. Arabidopsis und Colletotrichum interagieren bereits von Natur aus ähnlich wie Mykorrhizapilze und ihre Wirtspflanzen, nutzen jedoch dafür ein anderes Sytsem, welches noch nicht vollständig aufgeklärt ist.

Wir wollen nun die gleichen Prozesse, wie in Abbildung 1 beschrieben, in unser neues Modellsystem einbauen. Mein Kollege Hang modifiziert Arabidopsis so, dass die Pflanze in der Lage sein wird, die Fettsäuren (ß-MAG) herzustellen und an den Pilz abzugeben. Meine Aufgabe wird es sein, Colletotrichum dazu zu bringen, mehr Phosphat aufzunehmen und an die Pflanze abzugeben und dabei mehr Fettsäuren aufzunehmen. Dazu werde ich Gene für den Export von Phosphat und den Import von Fettsäuren von anderen Organismen in den Pilz einbringen. Vorher muss ich jedoch die eigene Fettsäuresynthese von Colletotrichum ausschalten, damit gemäß dem Prinzip der arbuskulären Mykorrhiza eine Abhängigkeit des Pilzes von der Pflanze entsteht.

Wenn wir all diese Veränderungen an Pflanze und Pilz vorgenommen haben, sollte ein dauerhaft stabiler Nährstoffaustausch zwischen den beiden Organismen existieren, der dem in der Mykorrhizasymbiose sehr ähnelt. Ist dieser Grundstein gelegt, stehen viele Möglichkeiten offen, das System weiter genetisch zu modifizieren und z.B. zusätzliche Prozesse für den Nährstofftransport einzubinden, um einen universellen „Dünger-Pilz“ zu designen.

Planter's Punch

Unter der Rubrik Planter’s Punch wird jeden Monat ein bestimmter Aspekt des CEPLAS Forschungsprogramms vorgestellt. Alle Beiträge werden von Mitgliedern der Graduiertenschule und des Postdoc Programms erstellt.

 

Über die Autorin

Svenja Hermanns ist eine Doktorandin an der Universität zu Köln in der Arbeitsgruppe von Prof. Bucher. Ihre Forschung fokussiert sich auf die Konstruktion einer künstlichen Interaktion zwischen Pflanzen und Pilzen. Das Hauptziel ist die Veränderung des Nährstoffaustausches zwischen den beiden Organismen, um die weitverbreitete arbuskuläre Mycorrhizsymbiose nachzuahmen.

Zum Nachlesen

Bravo, A., York, T., Pumplin, N., Mueller, L. A., & Harrison, M. J. (2016). Genes conserved for arbuscular mycorrhizal symbiosis identified through phylogenomics. Nature Plants, 2(2), 1–6. doi.org/10.1038/NPLANTS.2015.208

Hacquard, S., Kracher, B., Hiruma, K., Münch, P. C., Garrido-Oter, R., Thon, M. R., Weimann, A., Damm, U., Dallery, J. F., Hainaut, M., Henrissat, B., Lespinet, O., Sacristán, S., Ver Loren Van Themaat, E., Kemen, E., McHardy, A. C., Schulze-Lefert, P., & O’Connell, R. J. (2016). Survival trade-offs in plant roots during colonization by closely related beneficial and pathogenic fungi. Nature Communications, 7. doi.org/10.1038/ncomms11362

Hiruma, K., Gerlach, N., Sacristán, S., Nakano, R. T., Hacquard, S., Kracher, B., Neumann, U., Ramírez, D., Bucher, M., O’Connell, R. J., & Schulze-Lefert, P. (2016). Root Endophyte Colletotrichum tofieldiae Confers Plant Fitness Benefits that Are Phosphate Status Dependent. Cell, 165(2), 464–474. doi.org/10.1016/j.cell.2016.02.028

Wewer, V., Brands, M., & Dörmann, P. (2014). Fatty acid synthesis and lipid metabolism in the obligate biotrophic fungus Rhizophagus irregularis during mycorrhization of Lotus japonicus. Plant Journal, 79(3), 398–412. doi.org/10.1111/TPJ.12566

Heinrich Heine University
University of Cologne
Max Planck Institute for Plant Breeding Research
Forschungszentrum Jülich