Bakterien unter strikter Kontrolle

Bilder einer Symbiose: die Leguminosen-Modellpflanze Lotus japonicus, bei der Bakterien in die Wurzelhaare einwandern. Es bilden sich die typischen Knöllchen. Rechts ein Querschnitt durch ein Knöllchen.
(c) Katharina Markmann / Uni Würzburg

Manche Pflanzen können sich ihren Stickstoff-Dünger aus der Luft beschaffen – eine Symbiose mit Bakterien macht es möglich. Katharina Markmann erforscht diese sehr spezielle Lebensgemeinschaft.

Bohnen, Erbsen und andere Hülsenfrüchtler haben im Lauf der Evolution etwas geschafft, was nur wenigen Pflanzengruppen geglückt ist: Sie können den wichtigen Nährstoff Stickstoff aus der Luft ziehen. Möglich wird das durch eine Symbiose mit Bakterien, die in Knöllchen an den Wurzeln leben. Die Mikroben knacken den Luftstickstoff enzymatisch auf und überführen ihn in eine Form, die für Pflanzen nutzbar ist, um zum Beispiel Proteine aufzubauen.

Allerdings müssen die Hülsenfrüchtler für die bakterielle Dienstleistung teuer bezahlen: Sie versorgen die Knöllchenbakterien unter anderem mit lebensnotwendigen Kohlenhydraten und Mineralstoffen wie Eisen oder Schwefel. Daraus ergibt sich ein Risiko: Die Pflanze muss aufpassen, dass sich die Bakterien in den Knöllchen nicht zu stark vermehren – sonst könnte die Symbiose zu einem Verlustgeschäft werden. Die Pflanze würde dann mehr in die Bakterien investieren, als sie ohne negative Folgen für die eigene Entwicklung und Vermehrung erübrigen kann.

„Die Wirtspflanzen müssen ihre bakteriellen Partner darum sehr strikt kontrollieren“, sagt Botanik-Professorin Katharina Markmann. Sie erforscht das komplexe Wechselspiel, das bei dieser Symbiose abläuft. Im Sommer 2022 ist sie von der Universität Halle-Wittenberg an die Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) gewechselt. Hier leitet sie den Lehrstuhl für Botanik II – Ökophysiologie der Pflanzen sowie den Botanischen Garten.

Kleine RNA-Moleküle für die Kommunikation

Die Forscherin interessiert sich besonders für das molekulare Kommunikationsnetz der Symbiose, das die ganze Pflanze durchzieht. So schicken beispielsweise Blätter Signale an die Wurzeln, ob sie Stickstoff benötigen. Dieser Informationstransfer wird dabei von kleinen regulatorischen RNA-Molekülen erledigt. Die Arbeitsgruppe von Katharina Markmann hat unter anderem eine kleine Blatt-RNA identifiziert, die in den Wurzeln dafür sorgt, dass die Eintrittspforten für die Bakterien nötigenfalls verschlossen werden.

Die Pflanzenwissenschaftlerin erforscht auch, wie die Kontrollmechanismen dieser sehr speziellen Symbiose zu Stande gekommen sind. Die Leguminosen haben sich die dafür nötigen Gene im Lauf der Evolution „zusammengeklaut“, wie sie erklärt. Es handelt sich um Gene, die schon vor der Entstehung der Symbiose existierten, dann aber für neue Zwecke adaptiert wurden.

Interaktive Lehre ist der Professorin wichtig

Ihre Vorlesungen und Seminare gestaltet Katharina Markmann möglichst interaktiv. Bei kleineren Gruppen setzt sie zum Beispiel dieses spezielle Lehrformat ein: Die Studierenden beschäftigen sich zuerst mit einem Forschungspaper und werden dann in Gruppen eingeteilt. Diese erhalten unterschiedliche Fragen zum Paper. Die Studierenden erarbeiten die Antworten und müssen dann einer anderen Gruppe die Sachverhalte erklären.

„Verständnislücken werden auf diese Weise sehr schnell klar“, sagt die Professorin. Ein weiterer Vorteil des Formats: Die Hemmschwelle, Dinge zu erklären oder Fragen zu stellen, sei für die Studierenden viel niedriger, wenn das Gegenüber aus Kommilitoninnen und Kommilitonen besteht.

Werdegang der Forscherin

Katharina Markmann, im Münsterland geboren, hat Biologie an der Universität Marburg und an der Wilfrid Laurier University in Waterloo (Kanada) studiert. Ihre Promotion absolvierte sie 2008 an der Ludwig-Maximilians-Universität München.

Als Postdoc ging sie an die Universität Aarhus in Dänemark und forschte dort am Centre for Carbohydrate Recognition and Signalling (CARB). Ihr Thema: die Rolle kleiner RNAs bei der Knöllchenbildung der Leguminosen. Ab 2017 leitete sie eine Nachwuchsgruppe am Zentrum für Molekulare Pflanzenbiologie der Universität Tübingen. Vier Jahre später wurde sie Professorin für Molekulargenetik an der Universität Halle. Dem Ruf auf den Würzburger Lehrstuhl für Botanik II – Ökophysiologie der Pflanzen folgte sie im Juni 2022.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Katharina Markmann, Lehrstuhl für Botanik II – Ökophysiologie der Pflanzen, T +49 931 31-80792, katharina.markmann@uni-wuerzburg.de

http://www.uni-wuerzburg.de

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Lutz Ziegler Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Julius-Maximilians-Universität Würzburg

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