Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Pflanze mit „Sicherungskopie“

18.11.2011
Der Schneckenklee ernährt sich im wahrsten Sinn des Wortes von Luft: Er holt sich mit Hilfe von Bakterien den Stickstoffdünger aus der Atmosphäre.

Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung der Universität Bonn und des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln hat das Genom dieser Pflanze sequenziert, um die Gene zu finden, die für ihre besondere Fähigkeit verantwortlich sind.

Eine Verdopplung des Genoms vor etwa 58 Millionen Jahren scheint entscheidend für die Ausprägung dieser nützlichen Eigenschaft gewesen zu sein. Die Wissenschaftler veröffentlichen ihre Ergebnisse nun in der aktuellen Ausgabe des renommierten Fachmagazins „Nature“.

Der Schneckenklee Medicago truncatula hat wie andere Hülsenfrüchtler eine ganz besondere Fähigkeit: Er holt sich den Stickstoffdünger, den er braucht, aus der Luft. Dabei helfen ihm Bakterien (Rhizobien), die in speziellen Knöllchen an der Pflanzenwurzel leben. „Diese Mikroorganismen haben die Fähigkeit, den Luftstickstoff zu binden und für den Schneckenklee verfügbar zu machen“, sagt Prof. Dr. Heiko Schoof vom Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz der Universität Bonn. Der Schneckenklee und die Rhizobien profitieren beide von der Lebensgemeinschaft: Die Pflanze erhält den begehrten Stickstoffdünger und kann dadurch auch auf nährstoffarmen Standorten gedeihen, die Bakterien werden durch Ausscheidungen der Kleewurzel angelockt und ernährt.

Warum „düngen“ sich Pflanzen selbst, während andere darben?

Schon seit langem fragt sich die Wissenschaft, warum die meisten Hülsenfrüchtler (Fabaceae) über Stickstoff bindende Wurzelknöllchen verfügen, während die meisten anderen Pflanzenfamilien allein auf die Nährstoffe im Boden angewiesen sind. Ein internationales Team aus 30 Wissenschaftlern unter Beteiligung der Universität Bonn und des Max-Planck-Instituts (MPI) für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln hat deshalb nun das Erbgut des Schneckenklees genauer untersucht. „Bei der Sequenzierung der Gene von Medicago truncatula entdeckten wir etliche Erbgutabschnitte, die sich sehr ähnlich sind und gleich zweifach vorliegen“, sagt der Bioinformatiker Prof. Schoof von der Universität Bonn, der als Gastforscher auch am MPI in Köln arbeitet. „Wir haben klare Hinweise darauf, dass sich vor etwa 58 Millionen Jahren das Erbgut der Pflanze verdoppelt hat.“ Solche Dopplungen konnten etwa bereits auch bei der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) festgestellt werden. Im Schneckenklee, wie die Forscher nun fanden, stehen aber besonders viele doppelt vorliegende Gene im Zusammenhang mit den Stickstoff bindenden Wurzelbakterien.

Was wie ein „Unfall“ klingt, hat klare Vorteile

Solche Genomduplikationen werden - nicht nur in Pflanzen - häufiger beobachtet. Wie sie genau entstehen, ist noch nicht geklärt. „Was zunächst wie ein Unfall klingt, hat für den Schneckenklee aber klare Vorteile“, sagt der Bioinformatiker. Ein Erbgutsatz steht dann der Evolution zur Verfügung und kann durch Veränderung neue Anpassungen an die Umwelt hervorbringen. Der zweite erfüllt dann quasi die Funktion einer Sicherungskopie. Falls die Veränderung eines Proteins seine ursprüngliche Funktion zerstört, kann diese von der „Sicherungskopie“ weiter erfüllt werden. Das veränderte Protein bleibt dann erhalten, falls seine neue Funktion vorteilhaft ist.

Bonner und Kölner Team sagte die Funktion von Genen vorher

Das Team des Bioinformatikers der Universität Bonn, der zuvor am Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung eine Nachwuchsgruppe leitete, prognostizierte insbesondere die Funktionen der einzelnen Gene. „Wir vergleichen die Gensequenzen mit bekannten Proteinen“, berichtet Schoof. Diese Proteine kommen aus verschiedenen Organismen und wurden auf ihre Funktion untersucht. „Ein solches Protein kann zum Beispiel ein Enzym sein, das im Organismus einen ganz bestimmten Stoff umwandelt“, sagt der Bioinformatiker. Mit seiner Gruppe arbeitet er an Methoden, um solche bekannten Proteinfunktionen auf unbekannte Sequenzen zu übertragen.

Nur bestimmte doppelte Gene blieben übrig

„Im Lauf der Evolution verschwinden viele duplizierte Gene relativ schnell, sie sind nicht notwendig für das Überleben der Pflanze“, berichtet Prof. Schoof. „Hauptsächlich Duplikate, die eine neue Funktion oder Rolle entwickeln, bleiben erhalten.“ Die Wissenschaftler fragten sich anhand der vorhergesagten Proteinfunktionen, ob im Schneckenklee bestimmte Proteine bevorzugt verdoppelt vorliegen. Dies kann Hinweise geben, welche Funktionen eine nützliche Anpassung darstellten – so wie beim Schneckenklee die Fähigkeit, Stickstoff bindende Bakterien einzubauen. „Die Studie gibt uns tiefe Einblicke, wie Pflanzen solche besonderen Eigenschaften erwerben“, sagt der Bioinformatiker. Noch handelt es sich um Grundlagenforschung. „Stickstoff ist von Anfang an ein entscheidender Faktor in der landwirtschaftlichen Nutzung von Pflanzen gewesen“, sagt Schoof. „Für die Steigerung von Erträgen und die Nachhaltigkeit, beispielsweise die Entstehung von klimaschädlichen Gasen, kann die Verbesserung der Effizienz der Stickstofffixierung einen wesentlichen Beitrag leisten.“ Das Erbgut des Schneckenklees stellt dabei eine entscheidende Referenz dar, welche die Forschung in verschiedenen, vor allem auch landwirtschaftlich bedeutenden Hülsenfrüchtlern erleichtert.

Publikation: The Medicago genome provides insight into the evolution of rhizobial symbiosis, Fachmagazin „Nature“, DOI:10.1038/nature10625

Kontakt:

Prof. Dr. Heiko Schoof
Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und
Ressourcenschutz der Universität Bonn
Max-Planck-Institut (MPI) für
Pflanzenzüchtungsforschung in Köln
Tel. 0228/7360363
E-Mail: schoof@uni-bonn.de

Johannes Seiler | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-bonn.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Agrar- Forstwissenschaften:

nachricht Feuerbrand bekämpfen und Salmonellen nachweisen
14.06.2017 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

nachricht Das Potenzial nichtheimischer Baumarten für den forstlichen Anbau in Deutschland sachlich prüfen
14.06.2017 | Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Agrar- Forstwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Future Security Conference 2017 in Nürnberg - Call for Papers bis 31. Juli

26.06.2017 | Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

„Digital Mobility“– 48 Mio. Euro für die Entwicklung des digitalen Fahrzeuges

26.06.2017 | Förderungen Preise

Fahrerlose Transportfahrzeuge reagieren bald automatisch auf Störungen

26.06.2017 | Verkehr Logistik

Forscher sorgen mit ungewöhnlicher Studie über Edelgase international für Aufmerksamkeit

26.06.2017 | Physik Astronomie