Nach fast einem Jahrzehnt der Bemühungen haben Wissenschaftler von RIKEN die Struktur eines Schlüsseltransportproteins bestimmt, das Pflanzen dabei hilft, Eisen aus dem Boden zu gewinnen. Diese Erkenntnis könnte die Entwicklung neuer hochwirksamer Düngemittel leiten, die Pflanzen helfen, Eisen aus Böden mit Eisenmangel zu extrahieren.
Etwa ein Drittel aller Böden weltweit sind alkalisch, weil ihr Boden große Mengen des alkalischen Salzes Calciumcarbonat enthält. Eisen löst sich in diesen alkalischen Böden schlecht, und der daraus resultierende Eisenmangel kann das Pflanzenwachstum stark einschränken.
„Die Eisenaufnahme aus dem Boden ist nicht einfach“, sagt Atsushi Yamagata vom RIKEN Center for Biosystems Dynamics Research.
Gewöhnliche Gräser, einschließlich Weizen und Gerste, haben jedoch eine einzigartige Strategie entwickelt, um Eisen einzufangen. Sie setzen Phytosiderophore genannte Verbindungen frei, die in den Boden freigesetzt werden, wo sie sich mit Eisen verbinden und einen Komplex bilden, den die Pflanzen über ihre Wurzeln aufnehmen können.
Die Phytosiderophore sind Verbindungen, die als Muginsäuren bekannt sind. Während sie ihre Eisenladung transportieren, werden sie von einem Transportprotein in Zellmembranen in Pflanzenzellen resorbiert. Über den molekularen Mechanismus dieses Prozesses ist jedoch noch vieles unbekannt.
Jetzt haben Yamagata und seine Mitarbeiter erstmals die Struktur des Transportproteins aufgeklärt.
„Wir haben die Struktur des Transportproteins aufgeklärt – sowohl im ungebundenen Zustand als auch in Kombination mit einem eisentragenden Phytosiderophor“, sagt Yamagata. Dies ist entscheidend, weil es den Forschern hilft, die feinen molekularen Details zu verstehen, wie der eisenhaltige Komplex mit dem Transporter interagiert, der in die Zellen transportiert werden soll.
Das RIKEN-Team hatte fast zehn Jahre lang versucht, die Struktur des Transportproteins zu bestimmen. „Wir konnten nicht einmal die Kristalle erhalten, die für die Analyse durch Röntgenkristallographie benötigt werden“, sagt Yamagata. Der Durchbruch kam mit den jüngsten Fortschritten in einer Technik namens Kryo-Elektronenmikroskopie, die die Strukturen enthüllte, indem Elektronen auf gefrorene Proben des Proteins geschossen wurden.
Diese Forschung leitet nun die Arbeit zur Entwicklung von Derivaten von Muginsäuren, von denen das Team glaubt, dass sie zu einer neuen Generation hochwirksamer Düngemittel für alkalische Böden werden könnten.
„Ein synthetisches Derivat, das von unserem Mitarbeiter Kosuke Namba von der Universität Tokushima entwickelt wurde, kann das Pflanzenwachstum bei nur etwa einem Tausendstel der Kosten besser verbessern als die natürliche Verbindung“, sagt Yamagata. Das Derivat mit der Bezeichnung Prolin-2′-desoxymugininsäure (PDMA) ist im Boden einen Monat lang stabil, verglichen mit nur einem Tag für die natürliche Verbindung.
Namba arbeitet nun mit einem japanischen Hersteller zusammen, um die Produktion von PDMA für die kommerzielle Nutzung als landwirtschaftliches Düngemittel zu steigern.
Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.
Mehr Informationen:
Atsushi Yamagata et al, Aufnahmemechanismus von Eisen-Phytosiderophoren aus dem Boden basierend auf der Struktur des gelben Streifentransporters, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-34930-1