Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Basis einer Zweckgemeinschaft entschlüsselt

29.03.2005


Wildtyp von Lotus japanicus (links) im Vergleich zur transgenen Lotuspflanze (rechts), deren Leghämoglobin-Synthese durch RNA-Interferenz unterdrückt wurde. Bild: MPI für molekulare Pflanzenphysiologie


Wurzelknöllchen von Lotus japonicus: Größe und Färbung der Wurzelknöllchen des Wildtypes wird hervorgerufen durch die hohe Konzentration an Leghämoglobin. Bild: MPI für molekulare Pflanzenphysiologie


Nach 40 Jahren endlich der Nachweis: Leghämoglobin ist essenziell für die symbiontische Stickstofffixierung in Leguminosen


Wissenschaftler des Max-Planck-Institutes für molekulare Pflanzenphysiologie in Golm bei Potsdam konnten erstmalig den Beweis erbringen, dass pflanzliche Eiweiße, die so genannten Leghämoglobine, die physiologischen Voraussetzungen schaffen, damit bestimmte Bakterien molekularen Luftstickstoff binden und für Pflanzen nutzbar machen können. Wie die Forscher in der aktuellen Ausgabe von Current Biology (29. März 2005) berichten, gelang es ihnen, mit der Methode der RNA-Interferenz bei der Lotus-Pflanze die Bildung des pflanzlichen Leghämoglobins erfolgreich zu unterdrücken und damit seine Funktion des Sauerstofftransportes und der Sauerstoffpufferung eindeutig nachzuweisen.

Stickstoff besitzt innerhalb der Pflanzennährstoffe eine herausragende Bedeutung, da er wesentlicher Bestandteil vieler wichtiger Verbindungen in Pflanzen ist, so zum Beispiel des grünen Blattfarbstoffes und aller Eiweiße. Während die Pflanzen den Kohlenstoff der Luft als Kohlendioxid (CO2) über die Blätter aufnehmen können, ist die Nutzung des Luftstickstoffs (N2) nicht möglich, obwohl die Luft 78 Prozent Stickstoff enthält. Pflanzen der Ordnung Leguminosen, wie z.B. Erbsen, Bohnen oder Klee, leben mit bestimmten Bakterien in einer Zweckgemeinschaft (Symbiose), die eine Nutzung des molekularen Luftstickstoffs ermöglicht. Unter günstigen Bedingungen kann auf diese Art mehr als 200 kg pflanzenverfügbarer Stickstoff pro Hektar und Jahr gewonnen und somit Dünger eingespart werden. Seit fast 40 Jahren stehen bestimmte Eiweiße, die Leghämoglobine, im Verdacht diese physiologische Leistung zu ermöglichen. Jetzt konnten Wissenschaftler des Max-Planck-Institutes für molekulare Pflanzenphysiologie in Golm bei Potsdam erstmalig den Beweis für die Richtigkeit dieser Hypothese erbringen.


Seit der Arbeiten der deutschen Chemiker Hellriegel und Wilfarth Ende des 19. Jahrhunderts ist bekannt, dass an den Wurzeln von Leguminosen so genannte Knöllchen lokalisiert sind, die zur Fixierung von Luftstickstoff in der Lage sind. Ursächlich für diese Fähigkeit sind Bakterien (Rhizobien), die in die Wurzeln der Leguminosen eindringen, dort die Neubildung von Zellen, den Knöllchen, bewirken, um diese dann zu besiedeln. Begleitet wird die Bildung und Entwicklung der Knöllchen durch das Anschalten, also die Aktivierung, knöllchenspezifischer pflanzlicher Gene. Während die Pflanze lebensnotwendige Kohlenstoffverbindungen aus der Photosynthese an die Bakterien abgibt, erhält sie nach Etablierung funktioneller Wurzelknöllchen von den Bakterien Stickstoffverbindungen, die durch deren Fähigkeit zur N2-Fixierung aufgebaut werden konnten. Katalysiert wird der Vorgang der N2-Bindung in den Bakterien durch das sauerstoffempfindliche Enzym Nitrogenase.

Im Mittelpunkt der Arbeiten der Golmer Forscher stand Leghämoglobin, ein Eiweiß, das durch ein knöllchenspezifisches pflanzliches Gen (Nodulin) gebildet wird. Leghämoglobin dient in der Pflanze, ähnlich wie das Hämoglobin beim Menschen, dem Sauerstofftransport und der Sauerstoffspeicherung. Die Fähigkeit zur Bindung des für Energieprozesse notwendigen Sauerstoffs ist für Leguminosen von erheblicher Bedeutung, da die zuvor bereits erwähnte Nitrogenase, extrem sauerstoffempfindlich ist. Mithilfe der Methode der RNA Interferenz (RNAi), durch die nicht das spezifische Gen, sondern seine funktionalen Produkte wie mRNA und Protein ausgeschaltet werden, gelang es, die Bildung von Leghämoglobin in der Modellpflanze Lotus japanicus vollkommen zu unterdrücken. Infolge des fehlenden Leghämoglobins zeigten die Pflanzen deutlichen Stickstoffmangel, obwohl Rhizobien vorhanden und Wurzelknöllchen gebildet wurden. Bei Düngung mit Stickstoff entwickelten sich die Versuchspflanzen genauso gut wie die ungedüngten Kontrollpflanzen. Ganz offensichtlich waren die transgenen Pflanzen nicht mehr in der Lage mit Hilfe der Bakterien Luftstickstoff zu binden.

In weiteren Untersuchungen konnten die Pflanzenphysiologen zeigen, dass einerseits der Sauerstoffgehalt in den Knöllchen erhöht war, andererseits das Enzym Nitrogenase nicht mehr nachgewiesen werden konnte. Durch das Fehlen von Leghämoglobin konnte der Sauerstoff in den Knöllchen nicht mehr abgepuffert werden, was zur Abschaltung des für die Nitrogenasesynthese zuständigen bakteriellen Genes führt. Wegen des Fehlens der Nitrogenase kann der Luftstickstoff nicht mehr fixiert werden und Stickstoffmangel tritt auf.

"Mit unserer Arbeit haben wir zweifelsfrei nachgewiesen, dass Leghämoglobin aufgrund seiner Fähigkeiten zur "Sauerstoffpufferung" und zum Sauerstofftransport essenziell für die bakterielle Stickstofffixierung ist", erklärt Thomas Ott. Keine essentielle Voraussetzung stellte es dagegen für das Pflanzenwachstum und die Pflanzenentwicklung dar: Denn Stickstoffmangelsymptome infolge der fehlenden Stickstofffixierung konnten im Experiment durch Düngung ausgeglichen werden. [URS/CB]

Originalveröffentlichung:

Thomas Ott, Joost van Dongen, Catrin Günther, Lene Krusell, Guilhem Desbrosses, Helene Vigeolas, Vivien Bock, Tomasz Czechowski, Peter Geigenberger, and Michael K. Udvardi
Symbiotic Leghemoglobins are Crucial for Nitrogen Fixation in Legume Root Nodules but not for General Plant Growth and Development
Current Biology, 29 March 2005

Dr. Andreas Trepte | idw
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Berichte zu: Bakterium Eiweiß Gen Knöllchen Leghämoglobin Leguminosen Luftstickstoff Nitrogenase

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Geteiltes Denken ist doppeltes Denken
19.01.2017 | Hertie-Institut für klinische Hirnforschung (HIH)

nachricht Neue CRISPR-Methode enthüllt Genregulation einzelner Zellen
19.01.2017 | CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Im Focus: Traffic jam in empty space

New success for Konstanz physicists in studying the quantum vacuum

An important step towards a completely new experimental access to quantum physics has been made at University of Konstanz. The team of scientists headed by...

Im Focus: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Im Focus: How gut bacteria can make us ill

HZI researchers decipher infection mechanisms of Yersinia and immune responses of the host

Yersiniae cause severe intestinal infections. Studies using Yersinia pseudotuberculosis as a model organism aim to elucidate the infection mechanisms of these...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Flashmob der Moleküle

19.01.2017 | Physik Astronomie

Tollwutviren zeigen Verschaltungen im gläsernen Gehirn

19.01.2017 | Medizin Gesundheit

Fraunhofer-Institute entwickeln zerstörungsfreie Qualitätsprüfung für Hybridgussbauteile

19.01.2017 | Verfahrenstechnologie