Symbiose – Wachstumshelfer für Wurzelknöllchen

In fast allen Ökosystemen wird das Pflanzenwachstum durch Stickstoffmangel begrenzt. Symbiosen mit Bakterien, die atmosphärischen Stickstoff fixieren und in pflanzenverfügbares Ammonium umwandeln können, sind deshalb von großer landwirtschaftlicher Bedeutung. Leguminosen beherbergen ihre bakteriellen Symbionten in speziellen Organen, den sogenannten Wurzelknöllchen.

„Nach der Wahrnehmung der Symbionten kommt es innerhalb von Minuten zu pulsierenden Schwankungen der Calciumkonzentration im Zellkern der Wurzelzelle. Diese Signale werden für die völlige Neuprogrammierung der Wurzelzellen und Ausbildung von Wurzelknöllchen verantwortlich gemacht“, sagt der LMU-Genetiker Martin Parniske, dessen Team es nun gelang, ein entscheidendes Protein zu identifizieren, das mithilft, diese Calciumsignale zu interpretieren und in adäquate Genaktivierung zu übersetzen.

Spontane Knöllchenbildung auch ohne Bakterienkontakt

„Wir konnten nachweisen, dass das Protein CYCLOPS, dessen Funktion bisher rätselhaft war, an der Umsteuerung der Entwicklung entscheidend beteiligt ist“, sagt Parniske. CYCLOPS ist die ausführende Komponente eines Proteinkomplexes, der das Calcium-Signal dekodiert und als Konsequenz symbioserelevante Gene aktiviert. Der Komplex enthält ein weiteres Enzym, das durch Calcium aktiviert wird, und seinerseits CYCLOPS phosphoryliert, das heißt mit Phosphatgruppen ausstattet. In dieser Form bindet CYCLOPS direkt an die DNA und aktiviert dort spezifisch die Gene, die für die Ausbildung von Wurzelknöllchen verantwortlich sind.

„ CYCLOPS war aufgrund seiner Sequenz nicht als Transkriptionsfaktor erkennbar, er repräsentiert also eine neue Klasse dieser Proteine“, sagt Parniske. Weitere Untersuchungen zeigten, dass CYCLOPS die Ausbildung von Wurzelknöllchen sogar spontan anstößt, wenn seine Phosphorylierung durch eine chemische Modifikation nur vorgetäuscht wird – also kein Bakterienkontakt stattgefunden hat. „Diese wichtige Entdeckung weist CYCLOPS eine Schlüsselposition im symbiontischen Entwicklungsprogramm zu“, betont Parniske. „Damit wird CYCLOPS ein wichtiges Werkzeug für Ansätze in der synthetischen Biologie, um die Knöllchensymbiose auf Pflanzen zu übertragen, die ursprünglich keinen Stickstoff fixieren können, wie etwa Getreide oder andere wirtschaftlich wichtige Pflanzen“. Da die Produktion von Stickstoffdüngern in erheblichem Umfang Energie und damit fossile Brennstoffe verbraucht, wäre dies auch von großem Interesse für eine nachhaltigere Landwirtschaft.

(Cell Host Microbe 2014) göd

Publikation:
CYCLOPS, A DNA-Binding Transcriptional Activator, Orchestrates Symbiotic Root Nodule Development
Cell Host Microbe 2014
Sylvia Singh, Katja Katzer, Jayne Lambert, Marion Cerri, and Martin Parniske
http://dx.doi.org/10.1016/j.chom.2014.01.011
Kontakt:
Prof. Martin Parniske
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