Pflanze-Fungi Partnerschaften: Alte Symbiose verstehen

Pflanzen und Pilze können Partnerschaften bilden, die ihnen helfen, zu wachsen und zu gedeihen. In diesen Partnerschaften leben Pilze in den Wurzeln von Pflanzen und helfen ihnen, Wasser und Nährstoffe aus dem Boden aufzunehmen. Im Gegenzug bieten Pflanzen den Pilzen Zucker und andere organische Materialien. Diese Art von Partnerschaft wird als arbuskuläre Mykorrhiza-Symbiose (AM) bezeichnet. Wissenschaftler untersuchen, wie Pflanzen und Pilze miteinander kommunizieren, um diese wichtigen Beziehungen besser zu verstehen.

#Wichtige Bestandteile für Symbiose

Es gibt mehrere Schlüsselakteure in der Partnerschaft zwischen Pflanzen und Pilzen. Ein wichtiger Weg, den Pflanzen nutzen, um auf Pilze zu reagieren, heisst Common Symbiosis Pathway (CSP). Der CSP beinhaltet spezielle Moleküle, die der Pflanze helfen, den Pilz zu erkennen und ihre Reaktion zu aktivieren. Das Protein CYCLOPS ist ein zentrales Element des CSP. Es wird aktiviert, wenn ein anderes Protein namens CCaMK eine Phosphatgruppe anfügt. Diese Aktivierung ermöglicht es CYCLOPS, an die DNA der Pflanze zu binden und bestimmte Gene zu aktivieren, die der Pflanze helfen, eine symbiotische Beziehung mit dem Pilz einzugehen.

In einigen Pflanzen haben Wissenschaftler herausgefunden, dass spezifische DNA-Regionen, die cis-regulatorische Elemente genannt werden, entscheidend dafür sind, wie CYCLOPS diese Gene aktiviert. Zu verstehen, wie diese Aktivierung funktioniert, kann Forschern helfen, diese Partnerschaften in Pflanzen, die für die Landwirtschaft wichtig sind, zu verbessern.

#CYCLOPS-reaktives Element als Marker

In der Forschung haben Wissenschaftler ein Werkzeug entwickelt, um zu verfolgen, wann der CSP in Pflanzen aktiv ist. Sie haben einen Teil der DNA, der auf CYCLOPS reagiert, mit einem Gen, das einen Farbstoffmarker (GUS) erzeugt, verbunden. Dieses Werkzeug ermöglicht es Wissenschaftlern, visuell zu sehen, wann der CSP in Pflanzen wie Medicago truncatula aktiviert wird. Wenn die Pflanzen mit dem AM-Pilz Rhizophagus irregularis inokuliert werden, zeigt der Marker stark an, dass der CSP aktiviert wurde. Diese Aktivierung kann nicht nur beim Bilden von AM-Beziehungen, sondern auch während anderer Arten von Symbiosen, einschliesslich der mit stickstofffixierenden Bakterien, geschehen.

#Untersuchung der Erhaltung über Pflanzenarten hinweg

Um herauszufinden, ob andere Pflanzenarten den CSP mit denselben Markern aktivieren können, haben Wissenschaftler verschiedene Sorten getestet. Sie führten das CYCLOPS-reaktive Element, das mit dem GUS-Marker verbunden war, in verschiedene Pflanzen ein, darunter solche, die normalerweise keine AM-Beziehungen eingehen. Die Ergebnisse zeigten, dass der CSP in verschiedenen Arten, einschliesslich Lebermoosen und verschiedenen Blühpflanzen, immer noch aktiviert werden konnte. Das bedeutet, dass die Fähigkeit, den CSP zu aktivieren, ein gemeinsames Merkmal vieler Pflanzen ist, was darauf hindeutet, dass dieser Signalweg im Laufe der Evolution bewahrt wurde.

#Aktivierung des CSP in Marchantia paleacea

Marchantia paleacea ist eine Art von Lebermoos, die ebenfalls AM-Partnerschaften bilden kann. Forscher führten den GUS-Reporter in diese Art ein, um zu sehen, ob sie ähnlich wie andere Pflanzen auf AM-Pilze reagiert. Nach sechs Wochen beobachteten sie ein starkes GUS-Signal nur in den Teilen des Lebermooses, die von den Pilzen kolonisiert waren. Dieses Ergebnis lieferte Beweise dafür, dass der CSP nicht nur ein Merkmal von Blühpflanzen ist, sondern auch in älteren Pflanzenlinien wie Lebermoosen aktiv ist.

#Bedeutung von SYMRK für AM-Symbiose

SYMRK ist ein weiteres wichtiges Protein im CSP, das eine entscheidende Rolle bei der Bildung von AM-Partnerschaften spielt. Forscher verwendeten eine Methode namens CRISPR, um verschiedene Mutantenlinien von Marchantia paleacea zu erstellen, bei denen SYMRK gestört war. Als diese Mutantenlinien mit Pilzen inokuliert wurden, konnten sie keine symbiotischen Beziehungen eingehen. Das bestätigte, dass SYMRK für die Etablierung der AM-Symbiose in Lebermoosen entscheidend ist, genau wie in Blühpflanzen.

#Rolle von CCaMK und CYCLOPS

Sowohl CCaMK als auch CYCLOPS sind ebenfalls entscheidend für den Erfolg von AM-Partnerschaften. Forscher erzeugten Mutanten dieser beiden Proteine in Marchantia paleacea und beobachteten erhebliche Kolonisationsprobleme nach der Inokulation mit R. irregularis. Die Mutanten zeigten entweder keine Anzeichen von Kolonisation oder hatten deutlich reduzierte Kolonisationsniveaus im Vergleich zu normalen Pflanzen. Das verstärkte die Vorstellung, dass sowohl CCaMK als auch CYCLOPS für die AM-Symbiose bei verschiedenen Pflanzentypen notwendig sind.

#Molekulare Funktionen und Genexpression

Um besser zu verstehen, wie der CSP auf molekularer Ebene funktioniert, untersuchten Wissenschaftler die Genaktivität in Pflanzen mit überaktiven Versionen von CYCLOPS und CCaMK. Die Forschung zeigte, dass diese überaktiven Versionen zu signifikanten Änderungen in der Genexpression führten, was darauf hindeutet, dass die Signalierungsfunktionen dieser Proteine tatsächlich in verschiedenen Pflanzenarten erhalten geblieben sind.

Als diese Pflanzen analysiert wurden, fanden die Forscher viele Ähnlichkeiten in den Genen, die als Reaktion auf das aktive CYCLOPS und CCaMK ein- oder ausgeschaltet wurden. Dies zeigt, dass trotz der Evolution verschiedener Pflanzenarten die grundlegenden Wege und Funktionen im Zusammenhang mit AM-Symbiose weitgehend unverändert geblieben sind.

#Fazit

Die Studien zum CSP zeigen, dass die Fähigkeit von Pflanzen, vorteilhafte Partnerschaften mit Pilzen einzugehen, ein tief verwurzeltes Merkmal ist, das über Millionen von Jahren der Evolution erhalten geblieben ist. Die beteiligten Proteine, darunter CYCLOPS, CCaMK und SYMRK, sind entscheidend für die Etablierung dieser symbiotischen Beziehungen über eine breite Palette von Pflanzenarten, von Blühpflanzen bis hin zu Lebermoosen.

Das bedeutet, dass die zugrunde liegenden Mechanismen, die es Pflanzen und Pilzen ermöglichen, zu kommunizieren und zusammenzuarbeiten, im Laufe der Zeit verfeinert wurden, sodass sich Pflanzen an verschiedene Umweltbedingungen und Herausforderungen anpassen konnten. Ein besseres Verständnis dieser Prozesse kann neue Möglichkeiten bieten, das Wachstum und die Widerstandsfähigkeit von Nutzpflanzen zu verbessern, was angesichts des Wandels des Klimas und der wachsenden Nahrungsmittelbedürfnisse von entscheidender Bedeutung ist.

Insgesamt heben die Ergebnisse die Bedeutung der Untersuchung von Pflanzen-Pilz-Interaktionen hervor, da sie entscheidende Einblicke in die evolutionäre Geschichte von Pflanzen und ihre Überlebensstrategien bieten. Zukünftige Forschungen könnten sich nicht nur darauf konzentrieren, weitere Akteure in diesen Signalwegen zu identifizieren, sondern auch nach Wegen zu suchen, die Fähigkeit von Pflanzen zu erweitern, symbiotische Beziehungen einzugehen, was zu nachhaltigeren landwirtschaftlichen Praktiken führen kann.