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 David statt Goliath: Kleinharvester-Demonstrator auf der Fachmesse „Interforst“ in München
17.07.2018 | Technische Hochschule Wildau

nachricht Vorwarnsystem per Handy-App: Extremwetterschäden in der Landwirtschaft vermeiden
02.07.2018 | Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) 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: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

Im Focus: Was passiert, wenn wir das Atomgitter eines Magneten plötzlich aufheizen?

„Wir haben jetzt ein klares Bild davon, wie das heiße Atomgitter und die kalten magnetischen Spins eines ferrimagnetischen Nichtleiters miteinander ins Gleichgewicht gelangen“, sagt Ilie Radu, Wissenschaftler am Max-Born-Institut in Berlin. Das internationale Forscherteam fand heraus, dass eine Energieübertragung sehr schnell stattfindet und zu einem neuartigen Zustand der Materie führt, in dem die Spins zwar heiß sind, aber noch nicht ihr gesamtes magnetisches Moment verringert haben. Dieser „Spinüberdruck“ wird durch wesentlich langsamere Prozesse abgebaut, die eine Abgabe von Drehimpuls an das Gitter ermöglichen. Die Forschungsergebnisse sind jetzt in "Science Advances" erschienen.

Magnete faszinieren die Menschheit bereits seit mehreren tausend Jahren und sind im Zeitalter der digitalen Datenspeicherung von großer praktischer Bedeutung....

Im Focus: Erste Beweise für Quelle extragalaktischer Teilchen

Zum ersten Mal ist es gelungen, die kosmische Herkunft höchstenergetischer Neutrinos zu bestimmen. Eine Forschungsgruppe um IceCube-Wissenschaftlerin Elisa Resconi, Sprecherin des Sonderforschungsbereichs SFB1258 an der Technischen Universität München (TUM), liefert ein wichtiges Indiz in der Beweiskette, dass die vom Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol detektierten Teilchen mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Galaxie in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung stammen.

Um andere Ursprünge mit Gewissheit auszuschließen, untersuchte das Team um die Neutrino-Physikerin Elisa Resconi von der TU München und den Astronom und...

Im Focus: First evidence on the source of extragalactic particles

For the first time ever, scientists have determined the cosmic origin of highest-energy neutrinos. A research group led by IceCube scientist Elisa Resconi, spokesperson of the Collaborative Research Center SFB1258 at the Technical University of Munich (TUM), provides an important piece of evidence that the particles detected by the IceCube neutrino telescope at the South Pole originate from a galaxy four billion light-years away from Earth.

To rule out other origins with certainty, the team led by neutrino physicist Elisa Resconi from the Technical University of Munich and multi-wavelength...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Wie geht es unserer Ostsee? Ein aktueller Zustandsbericht

17.07.2018 | Veranstaltungen

Interdisziplinäre Konferenz: Diabetesforscher und Bioingenieure diskutieren Forschungskonzepte

13.07.2018 | Veranstaltungen

Conference on Laser Polishing – LaP: Feintuning für Oberflächen

12.07.2018 | Veranstaltungen

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

Optische Kontrolle von Herzfrequenz oder Insulinsekretion durch lichtschaltbaren Wirkstoff

17.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

Umweltressourcen nachhaltig nutzen

17.07.2018 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Textilien 4.0: Smarte Kleidung und Wearables als Innovation

17.07.2018 | Innovative Produkte

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