Studie zeigt, dass rhythmische Genexpression bei Pflanzen für Symbiose mit nährstoffliefernden Bakterien entscheidend ist

Hülsenfrüchte gedeihen in stickstoffarmen Umgebungen, indem sie sich mit Rhizobien verbinden, Bodenbakterien, die atmosphärischen Stickstoff in Ammonium umwandeln, eine für die Pflanzen nutzbare Form. Diese nützlichen Bakterien sind in Wurzelknöllchen untergebracht, die sich an den Wurzeln der Hülsenfrüchte bilden.

Die unkontrollierte Bildung zahlreicher Wurzelknöllchen kann allerdings die Wurzelfunktion beeinträchtigen. Um dies zu verhindern, müssen Leguminosen die Verteilung und Anzahl der Wurzelknöllchen regulieren. Die genauen Mechanismen waren bisher jedoch unklar.

Jüngste Forschungen an Lotus japonicus, einer Modellpflanze der Hülsenfruchtarten, haben ergeben, dass die Interaktion zwischen Hülsenfruchtwurzeln und Rhizobien durch eine periodische Genexpression im Sechs-Stunden-Rhythmus gekennzeichnet ist. Diese rhythmische Genexpression beeinflusst die für Rhizobieninfektionen anfälligen Bereiche der Wurzel und die Verteilung der Knöllchen.

Es wurde auch entdeckt, dass das Pflanzenhormon Cytokinin für die Aufrechterhaltung dieses Genexpressionsrhythmus von entscheidender Bedeutung ist. Diese Studie, veröffentlicht In Wissenschaftist eine Gemeinschaftsarbeit des National Institute for Basic Biology, des Nara Institute of Science and Technology, der Hokkaido University, der Kwansei Gakuin University, RIKEN und der Aichi University of Education.

Wenn Rhizobien die Wurzeln von Leguminosen infizieren, bilden die Epidermiszellen der Wurzeln Infektionsfäden, membranartige röhrenartige Strukturen, die die Bakterien zum inneren Wurzelgewebe leiten, wo sie Stickstoff fixieren können. Eine Rhizobieninfektion tritt hauptsächlich in einem schmalen Wurzelbereich direkt hinter der Wurzelspitze auf, der als anfälliger Bereich bezeichnet wird. Durch die kontinuierliche Zellbildung an der Wurzelspitze entstehen ständig neue anfällige Bereiche.

Im Idealfall wären die Infektionsfäden gleichmäßig in der Wurzel verteilt. Bei näherer Betrachtung zeigt sich jedoch ein Muster von dicht geformten Infektionsfäden, die sich mit spärlicheren Bereichen abwechseln, was eher auf intermittierende als auf kontinuierliche Reaktionen auf Rhizobien hindeutet. Detaillierte Studien zur dynamischen Reaktion der Wurzeln auf Rhizobien im Laufe der Zeit fehlen bisher.

Mithilfe von Live-Lumineszenzbildgebung mit Luciferase als Reporter beobachtete das Forschungsteam, dass die NSP1-Genexpression, die als Reaktion auf Rhizobien rasch induziert wird und für den Infektionsprozess unerlässlich ist, in der anfälligen Region in etwa sechsstündigen Intervallen oszillierende Muster aufwies. Während die Wurzel wuchs, erschienen neue Expressionsstellen apikal zu den vorherigen Oszillationsregionen.

„Uns fiel auf, dass diese Schwingungsbereiche mit Bereichen zusammenfallen, in denen sich viele Infektionsfäden bilden. Das lässt uns vermuten, dass diese rhythmische Genexpression mit der Bestimmung der Knotenbildungsorte in Zusammenhang stehen könnte“, sagte Dr. Takashi Soyano, außerordentlicher Professor am National Institute for Basic Biology und Mitglied des Forschungsteams.

Im Einklang mit dieser Annahme bildete sich im Oszillationsbereich eine große Population von Wurzelknöllchen, was auf eine Verbindung zwischen rhythmischer Genexpression und Knöllchenbildung hindeutet. Andere Gene, die für frühe Reaktionen während der Knöllchensymbiose wichtig sind, zeigten ebenfalls oszillierende Expressionsmuster, was den ersten Beweis für eine periodische Genexpression als Reaktion auf Rhizobien darstellt.

Cytokinin, ein wichtiger Regulator der Wurzelknöllchensymbiose, hält diese oszillierende Genexpression aufrecht. Gene, die mit der Cytokininbiosynthese, dem Cytokininstoffwechsel und der Signalgebung in Zusammenhang stehen, zeigten nach Rhizobieninokulation eine oszillierende Expression. Lumineszenzbildgebung unter Verwendung des Cytokininreaktionsmarkers TCSn zeigte oszillierende Cytokininreaktionen, die mit dem Zeitpunkt der Schwankungen des aktiven Cytokiningehalts übereinstimmten.

Die Studie verwendete Mutanten des Cytokininrezeptors LHK1, um die Rolle von Cytokinin bei der Periodizität der Genexpression zu untersuchen. Bei Mutanten ohne funktionelles LHK1 waren die oszillierenden Intervalle der periodischen NSP1-Expression verlängert, wodurch die Wurzelregion erweitert wurde, in der die NSP1-Expression oszilliert.

Umgekehrt wurde in Pflanzen, die mit einer aktivierten Form von LHK1 transformiert wurden, die Induktion der NSP1-Expression unterdrückt, was zu einem Verlust der Periodizität führte. Der NSP1-Oszillationsbereich fiel mit dem Bereich zusammen, der dichte Infektionsfäden bildete. Die LHK1-Funktionsverlustmutanten wiesen vergrößerte Wurzelsegmente auf, die dichte Infektionsfäden bildeten, während das aktive LHK1 die Infektionsfadendichte verringerte.

Diese Erkenntnisse unterstreichen die Bedeutung einer angemessenen Zytokininreaktion für die Aufrechterhaltung der symbiotischen Schwingung und die Gewährleistung einer angemessenen Ausbreitung des Infektionsfadens.

Wurzelknöllchensymbiose tritt in der monophyletischen stickstofffixierenden Klade auf, die vier Ordnungen umfasst: Fabales, Rosales, Cucurbitales und Fagales, was auf eine gemeinsame evolutionäre Aneignung der Interaktion mit stickstofffixierenden Bakterien hindeutet. Unter ihnen ist die Familie der Leguminosen in der Ordnung Fabales, in der die meisten Arten an Wurzelknöllchensymbiose beteiligt sind, einzigartig, da sie den Cytokinin-Stoffwechselweg als wichtiges regulatorisches Modul für die Symbiose integriert hat.

„Die Entdeckung periodischer Cytokinin-Reaktionen war unerwartet und wirft mehrere Fragen auf, unter anderem zu den molekularen Mechanismen, die diese Periodizität bedingen, und dazu, wie diese periodischen Reaktionen die Infektionsregionen formen“, sagte Dr. Soyano.

Durch die Beantwortung dieser Fragen dürften wir zu einem besseren Verständnis der Regulationsmechanismen der Wurzelknöllchensymbiose gelangen und die Forschung zur räumlichen Kontrolle der Organentwicklung durch periodische, durch Pflanzenhormone vermittelte Reaktionen voranbringen.