Forscher entdecken einen wichtigen Zusammenhang in der Symbiose zwischen Hülsenfrüchten und Bakterien

Hülsenfrüchte haben die einzigartige Fähigkeit, mit stickstofffixierenden Bakterien im Boden, den sogenannten Rhizobien, zu interagieren. Hülsenfrüchte und Rhizobien gehen bei Stickstoffmangel symbiotische Beziehungen ein, sodass die Pflanze gedeihen kann, ohne dass von außen zugeführter Stickstoff erforderlich ist.

An der Wurzel der Pflanze bilden sich symbiotische Knötchen, die leicht von stickstofffixierenden Bakterien besiedelt werden. Der Zelloberflächenrezeptor SYMRK (Symbiose-Rezeptor-ähnliche Kinase) ist für die Vermittlung des symbiotischen Signals von der Rhizobienwahrnehmung bis zur Knötchenbildung verantwortlich. Der Aktivierungsmechanismus des Rezeptors war bis vor kurzem unbekannt.

In dieser Studie erscheint in Verfahren der Nationalen Akademie der WissenschaftenForscher haben nun vier essentielle Phosphorylierungsstellen identifiziert, die als Katalysator für die symbiotische Beziehung zwischen Hülsenfrüchten und stickstofffixierenden Bakterien fungieren. Die ersten Schritte des symbiotischen Weges an der Zelloberfläche sind gut charakterisiert; Das Verständnis darüber, wie das Signal stromabwärts weitergeleitet wird, ist dem Forschungsgebiet jedoch jahrelang entgangen.

Die Entdeckung dieser essentiellen Phosphorylierungsstellen ist ein wichtiger Schritt, um die Fähigkeit, symbiotische Beziehungen mit stickstofffixierenden Bakterien einzugehen, in Nutzpflanzen zu übertragen.

„Wir wussten, dass der Rezeptor und seine Aktivität für den Aufbau einer Symbiose wesentlich sind, aber wir wussten nicht wie oder warum. Phosphorylierung ist ein häufiger Mechanismus zur Regulierung der Kinaseaktivität, daher haben wir die Theorie aufgestellt, dass die SYMRK-Funktion an spezifische Phosphorylierungen gebunden ist.“ Nikolaj Abel erklärt.

Durch die Zusammenarbeit mit dem Labor von Ole Nørregaard Jensen an der Universität Süddänemark wurden mehrere Phosphorylierungsstellen in bestimmten Regionen der SYMRK-Kinase identifiziert. Den Forschern gelang es, die wesentlichen Stellen einzugrenzen, indem sie Phosphorylierungen in vivo abreicherten oder nachahmten. Insbesondere vier Stellen in der N-terminalen Region von SYMRK ergaben bei Mutation starke Phänotypen.

„Wir erforschen die Auswirkungen ortsspezifischer Mutationen, indem wir Rezeptorvarianten erzeugen und sie wieder in Pflanzen einführen, denen der funktionelle SYMRK-Rezeptor fehlt. Die Beobachtung einer spontanen Knötchenbildung ohne Rhizobien oder das Fehlen einer Knötchenbildung trotz ihres Vorhandenseins weist darauf hin, dass wir ein für die Knötchenbildung entscheidendes Element ins Visier genommen haben.“ symbiotischer Weg“, sagt Abel.

Um zu verstehen, wo sich die identifizierten Phosphorylierungsstellen auf der SYMRK-Kinase befanden, bestimmten die Forscher die Struktur der intrazellulären Domäne von SYMRK.

„Wir mussten in der Lage sein, die Phosphorylierungsstellen auf ein Strukturmodell der SYMRK-Kinase abzubilden, um wirklich zu verstehen, wie diese Phosphorylierungsstellen die nachgeschaltete Signalübertragung ermöglichen. Wir identifizierten ein strukturell konserviertes Motiv in der N-terminalen alpha-helikalen Region, das wir „das“ nannten Alpha-I-Motiv.‘ „Diese Region enthält die vier konservierten Phosphorylierungsstellen“, erklärt Malita Nørgaard.

Ziel ist es, eine Wurzelknöllchensymbiose in wichtigen Nutzpflanzen zu ermöglichen

Das langfristige Ziel besteht darin, eine Wurzelknöllchensymbiose in wichtigen Nutzpflanzen wie Gerste, Mais und Reis zu ermöglichen. Für den Anbau dieser Nutzpflanzen sind große Mengen Stickstoffdünger erforderlich, was zu enormen CO2-Fußabdrücken führt und es Kleinbauern unmöglich macht, stabile Erträge zu erzielen.

Angesichts der erfolgreichen Identifizierung von Phosphorylierungsstellen, die für die Initiierung des Nodulationsprogramms in Hülsenfrüchten von entscheidender Bedeutung sind, glauben die Forscher, dass dieses neu gewonnene Wissen vielversprechende Auswirkungen auf die Umsetzung stickstofffixierender Eigenschaften in Nutzpflanzen hat.