LysM-RLKs: Wichtige Akteure in Pflanzen-Fungi-Partnerschaften

LysM-Rezeptor-ähnliche Kinasen (LysM-RLKs) sind wichtige Proteine, die in Pflanzen vorkommen. Sie helfen Pflanzen, mit ihrer Umgebung zu interagieren, einschliesslich der Bildung von Partnerschaften mit Pilzen. Diese Partnerschaften können Pflanzen nutzen, um Nährstoffe besser aufzunehmen, besonders Phosphor. Zu verstehen, wie diese Proteine funktionieren, ist entscheidend für unser Wissen über Pflanzenbiologie und Landwirtschaft.

#Ursprung und Vielfalt der LysM-RLKs

Forschungen zeigen, dass LysM-RLKs zuerst in grünen Algen auftraten. Im Laufe der Zeit haben sie sich weiterentwickelt und diversifiziert, als Pflanzen anfingen, an Land zu leben. Bei den bestehenden Lebermoosen, die zu den einfachsten Pflanzen gehören, haben Wissenschaftler vier Gruppen von LysM-RLKs identifiziert. Drei dieser Gruppen nennt man LYKs, die mit der Pflanzenimmunität und der Interaktion mit nützlichen Pilzen in Verbindung stehen. Die vierte Gruppe heisst LYR, die eine etwas andere Struktur und Funktion hat.

Bei einer Lebermoosart, Marchantia paleacea, fanden Forscher zwei LYKs und ein LYR. Diese Art hat jedoch die Fähigkeit verloren, Arbuskuläre Mykorrhiza (AM) zu bilden, eine Art Symbiose mit Pilzen, weil ein drittes LYK-Gen verloren ging. Alle LysM-RLKs in dieser Art haben spezifische Merkmale, die darauf hindeuten, dass sie in der pflanzlichen Zellmembran positioniert sind und bereit sind, mit äusseren Signalen zu interagieren.

#Die Rolle von LYKa in der Symbiose

Um herauszufinden, wie jede LysM-RLK zur Bildung von Assoziationen mit Pilzen beiträgt, haben Wissenschaftler Mutationen in der M. paleacea-Pflanze erstellt, die gezielt bestimmte LYK-Gene anvisierten. Sie konzentrierten sich auf LYKa, LYKb und LYKc. Die Forschung zielte darauf ab, zu sehen, ob diese Mutationen die Fähigkeit der Pflanzen beeinträchtigten, Partnerschaften mit AM-Pilzen, speziell Rhizophagus irregularis, zu bilden.

Nach der Erstellung dieser Mutationen überprüfte das Team, ob die Pflanzen erfolgreich mit den AM-Pilzen in Kontakt treten konnten. Beobachtungen zeigten, dass Pflanzen ohne LYKa diese wichtigen Partnerschaften nicht aufbauen konnten. Auf der anderen Seite schafften es Pflanzen ohne LYKb und LYKc dennoch, erfolgreiche Verbindungen mit den Pilzen zu bilden. Die Ergebnisse hoben hervor, dass LYKa entscheidend für die Bildung von AM ist, während LYKb und LYKc eine geringere Rolle zu spielen scheinen.

#Beobachtung der Effekte von Mutationen

Histologische Techniken ermöglichten es den Forschern, zu visualisieren, wie gut die Pilze die Pflanzenwurzeln kolonisierten. In diesen Beobachtungen deutete eine Farbänderung im Thallus von M. paleacea auf eine erfolgreiche Kolonisierung durch Pilze hin. Kontrollpflanzen und solche mit Mutationen in LYKb und LYKc zeigten diese positive Pigmentierung, während Pflanzen ohne LYKa dies nicht taten. Diese klare Unterscheidung verstärkte die Annahme, dass LYKa entscheidend für diese symbiotische Beziehung ist.

Weitere Experimente bestätigten, dass LYKa-Mutanten konstant keine Anzeichen einer Pilzkolonisierung zeigten, im Gegensatz zu ihren Gegenstücken mit aktiven LYK-Genen. Die Beobachtungen waren über mehrere Experimente hinweg konsistent und stärkten die Schlussfolgerung, dass LYKa für die Bildung von AM entscheidend ist.

#Die Rolle von LYR in der Symbiose

Im Gegensatz zu den LYK-Genen schien das einzelne LYR-Gen in M. paleacea nicht notwendig für die Bildung von AM zu sein. Die Forscher führten Tests durch, die denen an LYK-Mutanten ähnlich waren. Sie erzeugten Funktionsverluste in dem LYR-Gen und bewerteten, ob diese Pflanzen weiterhin in symbiotischen Beziehungen mit AM-Pilzen einbezogen werden konnten.

Die Ergebnisse zeigten, dass Pflanzen mit mutierten LYR-Genen im Vergleich zu Kontrollpflanzen keine signifikanten Unterschiede in ihrer Fähigkeit zur Bildung von AM aufwiesen. Beide Pflanzentypen zeigten ähnliche Niveaus der Pilzkolonisierung, was darauf hindeutet, dass LYR für diesen Prozess in M. paleacea nicht essentiell ist.

#Verständnis der Signale für die AM-Bildung

AM-Pilze kommunizieren mit ihren Pflanzenpartnern durch spezifische chemische Signale, die als Chito-Oligosaccharide (COs) und Lipo-Chitooligosaccharide (LCOs) bekannt sind. Diese Signale helfen, Reaktionen in der Pflanze auszulösen, die die Bildung einer symbiotischen Beziehung unterstützen. Die Forscher wollten herausfinden, wie LYKa- und LYR-Mutanten auf diese Signale reagierten.

Mit einer speziellen Markerlinie in M. paleacea massen die Forscher Veränderungen der Calciumwerte in den Pflanzen, als sie COs und LCOs ausgesetzt wurden. Kontrollpflanzen reagierten gut auf diese Signale und zeigten einen spürbaren Anstieg der Calciumkonzentration. Pflanzen ohne LYKa oder LYR reagierten jedoch nicht auf die Behandlungen, was auf ein Versagen bei der Wahrnehmung dieser wichtigen Signale hindeutet.

Diese Unfähigkeit, auf AM-bezogene Signale zu reagieren, bestätigt weiter die entscheidenden Rollen von LYKa und LYR bei der Bildung erfolgreicher Partnerschaften mit AM-Pilzen. Beide Proteine sind notwendig, um die von Pilzen produzierten Signale zu erkennen, die für die Etablierung der AM-Beziehung wichtig sind.

#Auswirkungen auf Pflanzenbiologie und Landwirtschaft

Die Ergebnisse dieser Forschung erweitern unser Verständnis dafür, wie spezifische Proteine in Pflanzen essentielle Partnerschaften mit Pilzen erleichtern. Diese Interaktionen können die Nährstoffaufnahme und die allgemeine Gesundheit der Pflanzen erheblich beeinflussen. Indem wir die wesentlichen Rollen von LYKa besser verstehen, können wir nachvollziehen, wie Pflanzen sich entwickelt haben, um diese vorteilhaften Beziehungen zu bilden.

Das Verständnis der Signalwege, die an diesen symbiotischen Beziehungen beteiligt sind, eröffnet neue Möglichkeiten zur Verbesserung der Resilienz und Nährstoffeffizienz von Pflanzen. Durch mögliche Manipulation dieser Wege könnte es möglich sein, Pflanzenvarietäten zu schaffen, die effektiver symbiotische Beziehungen mit AM-Pilzen eingehen können, was zu besserem Wachstum und Ertrag führt.

#Fazit

Die Studie von LysM-RLKs, insbesondere in M. paleacea, liefert wichtige Einblicke in die Interaktionen zwischen Pflanzen und Pilzen. Die entscheidende Rolle von LYKa bei der Bildung von arbuskulärer Mykorrhiza hebt die Komplexität der Pflanzensignalisierung und die evolutionäre Bedeutung dieser Partnerschaften hervor. Während die Forscher weiterhin diese Beziehungen erkunden, könnten weitere Entdeckungen zu innovativen Lösungen zur Verbesserung landwirtschaftlicher Praktiken und der Gesundheit von Pflanzen führen.