Biosensor der nächsten Generation enthüllt die entscheidende Rolle von Gibberellin bei der Stickstofffixierung von Hülsenfrüchten

Forscher der Universität Cambridge haben nachgewiesen, dass das Pflanzenhormon Gibberellin (GA) für die Bildung und Reifung stickstoffbindender Wurzelknöllchen bei Hülsenfrüchten unerlässlich ist und auch die Knöllchengröße erhöhen kann. Sie identifizierten die spezifischen Zeiten und Orte, an denen GA die Entstehung, das Wachstum und die Funktion von Knöllchen steuert. Diese Erkenntnisse helfen, widersprüchliche Berichte in Einklang zu bringen, die darauf hindeuten, dass GA die Knöllchenbildung sowohl hemmt als auch dafür erforderlich ist, indem sie die Bereiche identifizieren, in denen GA unerlässlich ist.

Getreide wie Weizen, Mais und Reis sind stickstoffhungrige Pflanzen und sind in hohem Maße auf synthetische Düngemittel angewiesen, um ihren Stickstoffbedarf zu decken. Synthetische Stickstoffdünger erfordern jedoch enorme Energiemengen bei der Herstellung, sind teuer für die Landwirte und haben negative Auswirkungen auf die Umwelt wie Wasserverschmutzung.

Im Gegensatz zu Getreide können Hülsenfrüchte wie Erbsen, Bohnen und Hülsenfrüchte ihren Stickstoff selbst durch eine natürliche Symbiose mit stickstoffbindenden Bakterien gewinnen und seitliche, aus den Wurzeln stammende Organe, sogenannte Knöllchen, bilden. Diese Fähigkeit zur Stickstoffbindung führt auch zu einem höheren Proteingehalt in Hülsenfrüchten, was sie für den menschlichen Verzehr nahrhafter macht.

Bei Leguminosenpflanzen kommt es jedoch bei relativ hohen Stickstoffkonzentrationen im Boden zur Ausbildung von Wurzelknöllchen, wodurch möglicherweise höhere Erträge verloren gehen.

Wissenschaftler auf der ganzen Welt arbeiten daran, den Ertrag von Hülsenfrüchten zu steigern und die Fähigkeit zur Stickstofffixierung von Hülsenfrüchten auf Getreide zu übertragen. Dazu ist es allerdings notwendig, die komplexen genetischen und biochemischen Prozesse zu entschlüsseln und zu verstehen, die an der Knöllchenbildung und Stickstofffixierung beteiligt sind.

In Forschungsergebnisse veröffentlicht In Die PflanzenzelleDie Forschungsgruppe von Dr. Alexander Jones am Sainsbury Laboratory der Cambridge University (SLCU) und die Gruppe von Professor Giles Oldroyd am Crop Science Centre haben einen wichtigen Schritt in Richtung dieses Ziels gemacht, indem sie die GA-Dynamik aufgedeckt haben, die die Entwicklung, Morphologie und Funktion stickstofffixierender Wurzelknöllchen bestimmt.

Dr. Jones sagte: „Es gab einige verwirrende und widersprüchliche Berichte über die Funktion von GA in der Knöllchensymbiose. Experimente zeigten, dass die Zugabe von GA die Knöllchenbildung verringert und die Entfernung von GA die Knöllchenbildung bei Hülsenfrüchten wie Medicago truncatula erhöht, was darauf schließen lässt, dass GA der Knöllchenbildung entgegenwirkt. Es gibt aber auch eine Hülsenfruchtmutante bei Erbsen, die weniger GA produziert und weniger Knöllchen hat, was darauf schließen lässt, dass GA irgendwie für die Knöllchenbildung erforderlich ist.“

„Diese widersprüchlichen Ergebnisse lassen darauf schließen, dass wahrscheinlich etwas mit der räumlich-zeitlichen GA-Musterung nicht stimmt. Beispielsweise könnte es bestimmte Orte geben, an denen GA vorhanden sein muss, und einige Orte, an denen es nicht vorhanden sein muss. Oder dass die genaue Konzentration von GA wichtig ist.“

Verwendung der hochempfindliche Next-Generation Biosensor nlsGIBBERELLIN PERCEPTION SENSOR 2 (GPS2), entwickelt von der Jones Group, konnte Dr. Colleen Drapek genau visualisieren, wo und wann GA vorhanden war und in welchen relativen Konzentrationen es auftrat. Sie fand GA angesammelt im Knötchenprimordium (der Zone in der Wurzelrinde, in der sich die Zellen in den frühen Stadien der Knötchenbildung zu teilen beginnen) bei Medicago, das mit Rhizobium-Bakterien infiziert war.

Dr. Drapek sagte: „Gleich zu Beginn der Knötchenbildung sieht man eine Ansammlung von GA in den Knötchenanlagen, aber sehr wenig GA sonst in der Wurzel. Während sich das Wurzelknötchen weiter entwickelt, sieht man, wie sich GA in recht hohen Konzentrationen ansammelt und in hohen Konzentrationen im reifen Knötchen verbleibt.“

Dr. Drapek verwendete GA und symbiotische Medicago-Mutanten, um die Wirkung von GA weiter zu testen, indem sie die Überexpression von Enzymen anvisierte, die GA abbauen oder GA synthetisieren. Das Ergebnis für die ersteren war, dass sich keine Knötchen bildeten und die letzteren größere Knötchen hatten. Sie fügt hinzu: „Das zeigt, dass GA für Knötchen sehr wichtig ist, dass seine Funktion jedoch auf Zonen beschränkt ist, in denen sich das Knötchen bildet, und nicht auf umliegende Bereiche. Wir wissen, dass ein niedriger GA-Gehalt für die anfängliche Rhizobium-Infektion der Wurzeln gut ist, später jedoch GA vorhanden sein muss, damit der Knötchenbildungsprozess fortschreitet und Knötchen reifen können.“

In früheren Untersuchungen der Oldroyd Group an der SLCU unter der Leitung von Dr. Katharina Schiessl konnte gezeigt werden, dass es eine Überschneidung im Entwicklungsprogramm gibt, das Pflanzen zur Bildung von Seitenwurzeln und stickstofffixierenden Knöllchen verwenden.

Professor Oldroyd sagte: „Diese neuesten Erkenntnisse zeigen, dass die GA-Akkumulation in der Wurzel nur bei der Knöllchenentwicklung vorkommt und daher wahrscheinlich ein kritischer Schalter für die knöllchenspezifische Entwicklung ist. Dies sind für uns wichtige Erkenntnisse bei unserem Versuch, die Stickstofffixierung auf andere Nutzpflanzen wie Maniok und Getreide zu übertragen.“