Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Stickstoff-Fixierung von Pflanzen – Millionen Jahre alte Symbiose

10.06.2014

Wenn Pflanzen mit Stickstoff-fixierenden Bakterien eine Zweckgemeinschaft eingehen, ziehen aus dieser Symbiose beide Partner Wettbewerbsvorteile:

Die Pflanzen erhalten von den Bakterien Stickstoff, den sie zum Wachstum benötigen, aber nicht selbst fixieren können. Die Mikroorganismen wiederum finden in den Pflanzenwurzeln Nahrung und geschützten Lebensraum. Bisher war nicht bekannt, wie sich diese Symbiosen zwischen Bakterien und Pflanzen während der Evolution entwickelt haben.


Knöllchenbakterien an Pflanzenwurzeln

Ein internationales Expertenteam hat nun herausgefunden, dass bereits in einem sehr frühen Evolutionsschritt die Grundlage für alle Symbiosen zwischen Pflanzenarten und Stickstoff-fixierenden Bakterien gelegt wurde.

Stickstoff ist ein essentieller Bestandteil biologischer Moleküle, insbesondere von Makromolekülen wie Proteinen und Nukleinsäuren. Obwohl er in der Atmosphäre in riesigen Mengen als molekularer Stickstoff (N2) vorkommt, kann er von Pflanzen in dieser Form nicht verwertet und genutzt werden. Nur bestimmte Bakterien, sogenannte Stickstoff-Fixierer, sind in der Lage, im Bodenwasser gelösten elementaren Stickstoff zu binden.

Im Laufe der Evolution haben sich verschiedene symbiotische Beziehungen zwischen den bakteriellen Stickstoff-Fixierern und bestimmten Pflanzenfamilien im Boden entwickelt. In dieser für beide Partner vorteilhaften Lebensgemeinschaft liefern die Bakterien den essentiell benötigten Stickstoff als Ammonium an die Pflanzen, die wiederum Kohlenhydrate und andere Nährstoffe an die Bakterien abgeben. Diese Symbiose wird meist als Wurzelknöllchen sichtbar – Ansammlungen von Bakterienkolonien, die an den Wurzeln ihrer Wirtspflanzen anhaften.

Doch wann, wie und bei welchen Vertretern haben sich im Laufe der Evolution solche tiefgreifenden, für die Pflanzen höchst vorteilhaften Entwicklungsschritte vollzogen? Diesen Fragen ging ein Expertenteam aus Amsterdam, Dundee und Jena nach. Grundlage ihres Forschungsansatzes war eine geeignete Datenbank, die alle bekannten Stickstoff-fixierenden Pflanzenarten beinhaltet.

„In unserer globalen Datenbank zu Pflanzenmerkmalen haben wir neben vielen anderen Pflanzeneigenschaften auch das Merkmal der Stickstoff-Symbiose aufgenommen“ sagt Dr. Jens Kattge vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena, Koautor der Studie. Diese, auch vom Deutschen Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) geförderte Datenbank über bisher etwa 70.000 weltweit erfasste Pflanzenarten wurde mit weiteren Daten zu Wurzelknöllchen-Symbiosen ergänzt. So entstand die erste umfassende Datenbank aller bekannten Pflanzenarten, die in symbiotischer Beziehung mit bakteriellen Stickstoff-Fixierern leben.

Kombiniert mit genetischen Verwandtschaftsanalysen wurde auf Grundlage der Datenbank ein umfassender Stammbaum aller Pflanzenarten bezüglich der Befähigung zur Stickstoff-Fixierung erstellt. Mathematische Berechnungen lieferten die erstaunliche Entstehungsgeschichte der Symbiose: Allen Stickstoff-fixierenden Pflanzen liegt mit höchster Wahrscheinlichkeit eine einzige gemeinsame, grundlegende Veränderung zu Grunde, die sie zur Lebensgemeinschaft mit bakteriellen Symbionten befähigt. Aufbauend auf dieser vor über 100 Millionen Jahren errungenen Eigenschaft haben sich nachfolgend verschiedene symbiotische Beziehungen zwischen manchen Pflanzenfamilien und verschiedenen bakteriellen Stickstoff-Fixierern entwickelt.

„Mit der Evolution dieser Symbiose wurde der globale Stickstoff-Kreislauf vor 100 Millionen Jahren grundlegend verändert“ so Jens Kattge. „Die Welt sähe ohne sie heute anders aus.“ In einigen Pflanzengruppen wurden diese Symbiosen im Laufe der Evolution stabil weitergeführt, in anderen Pflanzen aber auch wieder verloren.

Mit Hilfe dieser Rekonstruktion der evolutionären Entwicklung kann die detaillierte genetische Grundlage und damit der Mechanismus erforscht werden, der Pflanzen befähigt, mit den Stickstoff-Fixierern eine Symbiose einzugehen. Mit den neuen Erkenntnissen steigt die Hoffnung, dass die Wirkmechanismen der Symbiose möglicherweise auf landwirtschaftliche Nutzpflanzen übertragen werden können. Denn in Nahrungsmittel-Pflanzen wie Mais und Weizen ist die Fähigkeit zur Symbiose genetisch nicht verankert. Diesen Pflanzen muss zur Ertragssteigerung in der Regel mineralischer Stickstoff als Kunstdünger angeboten werden.

Da Stickstoff in Böden meist nur in geringen Mengen vorhanden ist, stellt er einen für das Pflanzenwachstum begrenzenden Faktor dar. Mit Stickstoff-Fixierern symbiotisch lebende Pflanzen können hingegen auch auf kargen, nährstoffarmen Böden gut gedeihen und haben dadurch Selektionsvorteile. Solche Pflanzen werden in der Landwirtschaft zur Stickstoff-Anreicherung der Böden angepflanzt. Dazu zählen beispielsweise die Leguminosen (Hülsenfrüchtler), die mit bakteriellen Rhizobien zusammen leben.

Für biogeochemische Stoffkreisläufe spielen diese Symbiosen eine wichtige Rolle: Sie sind essentiell für die Stickstoff-Verfügbarkeit in vielen natürlichen Ökosystemen und tragen entscheidend zur Neubesiedlung von Ökosystemen sowie deren Biodiversität bei. Als limitierender Faktor des Pflanzenwachstums ist Stickstoff darüber hinaus auch wichtig für die pflanzliche Biomasse-Produktion, und damit für den globalen Kohlenstoff-Kreislauf. Die Symbiose wird daher als eine der wichtigsten auf unserem Planeten angesehen.

Veröffentlichung:
Werner, G. D. A. et al. A single evolutionary innovation drives the deep evolution of symbiotic N2 fixation in angiosperms. Nat. Commun. 5:4087, doi: 10.1038/ncomms5087 (2014).

Kontakt:
Dr. Jens Kattge
Max-Planck-Institut für Biogeochemie
Forschungsgruppe “Funktionelle Biogeographie”
Hans-Knöll-Strasse 10, 07745 Jena
Tel: +49 3641 576226
email: jkattge(at)bgc-jena.mpg.de
https://www.bgc-jena.mpg.de/functionalbiogeography/index.php/Main/HomePage

Weitere Informationen:

http://www.bgc-jena.mpg.de/index.php/Main/HomePage Max-Planck-Insitut für Biogeochemie
http://dx.doi.org/10.1038/ncomms5087 Publikation bei Nature Communications

Dr. Eberhard Fritz | Max-Planck-Institut

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Krebsdiagnostik: Pinkeln statt Piksen?
25.05.2018 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

nachricht Kugelmühlen statt Lösungsmittel: Nanographene mit Mechanochemie
25.05.2018 | Technische Universität Dresden

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: Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

Je mehr die Elektronik Autos lenkt, beschleunigt und bremst, desto wichtiger wird der Schutz vor Cyber-Angriffen. Deshalb erarbeiten 15 Partner aus Industrie und Wissenschaft in den kommenden drei Jahren neue Ansätze für die IT-Sicherheit im selbstfahrenden Auto. Das Verbundvorhaben unter dem Namen „Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 7,2 Millionen Euro gefördert. Infineon leitet das Projekt.

Bereits heute bieten Fahrzeuge vielfältige Kommunikationsschnittstellen und immer mehr automatisierte Fahrfunktionen, wie beispielsweise Abstands- und...

Im Focus: Powerful IT security for the car of the future – research alliance develops new approaches

The more electronics steer, accelerate and brake cars, the more important it is to protect them against cyber-attacks. That is why 15 partners from industry and academia will work together over the next three years on new approaches to IT security in self-driving cars. The joint project goes by the name Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) and has funding of €7.2 million from the German Federal Ministry of Education and Research. Infineon is leading the project.

Vehicles already offer diverse communication interfaces and more and more automated functions, such as distance and lane-keeping assist systems. At the same...

Im Focus: Mit Hilfe molekularer Schalter lassen sich künftig neuartige Bauelemente entwickeln

Einem Forscherteam unter Führung von Physikern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, spezielle Moleküle mit einer angelegten Spannung zwischen zwei strukturell unterschiedlichen Zuständen hin und her zu schalten. Derartige Nano-Schalter könnten Basis für neuartige Bauelemente sein, die auf Silizium basierende Komponenten durch organische Moleküle ersetzen.

Die Entwicklung neuer elektronischer Technologien fordert eine ständige Verkleinerung funktioneller Komponenten. Physikern der TU München ist es im Rahmen...

Im Focus: Molecular switch will facilitate the development of pioneering electro-optical devices

A research team led by physicists at the Technical University of Munich (TUM) has developed molecular nanoswitches that can be toggled between two structurally different states using an applied voltage. They can serve as the basis for a pioneering class of devices that could replace silicon-based components with organic molecules.

The development of new electronic technologies drives the incessant reduction of functional component sizes. In the context of an international collaborative...

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Im Fokus: Klimaangepasste Pflanzen

25.05.2018 | Veranstaltungen

Größter Astronomie-Kongress kommt nach Wien

24.05.2018 | Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Berufsausbildung mit Zukunft

25.05.2018 | Unternehmensmeldung

Untersuchung der Zellmembran: Forscher entwickeln Stoff, der wichtigen Membranbestandteil nachahmt

25.05.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

25.05.2018 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics