Presseinformation - Max-Planck

MAX-PLANCK-GESELLSCHAFT
Presseinformation
PRI B 22 / 2005 (47)
29. März 2005
Basis einer Zweckgemeinschaft entschlüsselt
Nach 40 Jahren endlich der Nachweis: Leghämoglobin ist essenziell für die
symbiontische Stickstofffixierung in Leguminosen
Wissenschaftler
des
Max-Planck-Institutes
für
molekulare
Pflanzenphysiologie in Golm bei Potsdam konnten erstmalig den Beweis
erbringen, dass pflanzliche Eiweiße, die so genannten Leghämoglobine, die
physiologischen Voraussetzungen schaffen, damit bestimmte Bakterien
molekularen Luftstickstoff binden und für Pflanzen nutzbar machen
können. Wie die Forscher in der aktuellen Ausgabe von Current Biology
(29. März 2005) berichten, gelang es ihnen, mit der Methode der
RNA-Interferenz bei der Lotus-Pflanze die Bildung des pflanzlichen
Leghämoglobins erfolgreich zu unterdrücken und damit seine Funktion
des Sauerstofftransportes und der Sauerstoffpufferung eindeutig
nachzuweisen.
Stickstoff besitzt innerhalb der Pflanzennährstoffe eine herausragende
Bedeutung, da er wesentlicher Bestandteil vieler wichtiger Verbindungen in
Pflanzen ist, so zum Beispiel des grünen Blattfarbstoffes und aller Eiweiße.
Während die Pflanzen den Kohlenstoff der Luft als Kohlendioxid (CO2) über
die Blätter aufnehmen können, ist die Nutzung des Luftstickstoffs (N2) nicht
möglich, obwohl die Luft 78 Prozent Stickstoff enthält. Pflanzen der Ordnung
Leguminosen, wie z.B. Erbsen, Bohnen oder Klee, leben mit bestimmten
Bakterien in einer Zweckgemeinschaft (Symbiose), die eine Nutzung des
molekularen Luftstickstoffs ermöglicht. Unter günstigen Bedingungen kann auf
diese Art mehr als 200 kg pflanzenverfügbarer Stickstoff pro Hektar und Jahr
gewonnen und somit Dünger eingespart werden. Seit fast 40 Jahren stehen
bestimmte Eiweiße, die Leghämoglobine, im Verdacht diese physiologische
Leistung
zu
ermöglichen.
Jetzt
konnten
Wissenschaftler
des
Max-Planck-Institutes für molekulare Pflanzenphysiologie in Golm bei
Potsdam erstmalig den Beweis für die Richtigkeit dieser Hypothese erbringen.
Seit der Arbeiten der deutschen Chemiker Hellriegel und Wilfarth Ende des 19.
Jahrhunderts ist bekannt, dass an den Wurzeln von Leguminosen so genannte
Knöllchen lokalisiert sind, die zur Fixierung von Luftstickstoff in der Lage
sind. Ursächlich für diese Fähigkeit sind Bakterien (Rhizobien), die in die
Wurzeln der Leguminosen eindringen, dort die Neubildung von Zellen, den
Knöllchen, bewirken, um diese dann zu besiedeln. Begleitet wird die Bildung
und Entwicklung der Knöllchen durch das Anschalten, also die Aktivierung,
knöllchenspezifischer
pflanzlicher
Gene.
Während
die
Pflanze
lebensnotwendige Kohlenstoffverbindungen aus der Photosynthese an die
Bakterien abgibt, erhält sie nach Etablierung funktioneller Wurzelknöllchen
von den Bakterien Stickstoffverbindungen, die durch deren Fähigkeit zur
N2-Fixierung aufgebaut werden konnten. Katalysiert wird der Vorgang der
N2-Bindung in den Bakterien durch das sauerstoffempfindliche Enzym
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zur Förderung
der Wissenschaften e.V.
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ISSN 0170-4656
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Nitrogenase.
Abb. 1: Wildtyp von Lotus japanicus (links) im Vergleich zur transgenen Lotuspflanze (rechts), deren
Leghämoglobin-Synthese durch RNA-Interferenz unterdrückt wurde.
Bild: MPI für molekulare Pflanzenphysiologie
Im Mittelpunkt der Arbeiten der Golmer Forscher stand Leghämoglobin, ein Eiweiß, das durch ein
knöllchenspezifisches pflanzliches Gen (Nodulin) gebildet wird. Leghämoglobin dient in der Pflanze,
ähnlich wie das Hämoglobin beim Menschen, dem Sauerstofftransport und der Sauerstoffspeicherung.
Die Fähigkeit zur Bindung des für Energieprozesse notwendigen Sauerstoffs ist für Leguminosen von
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erheblicher Bedeutung, da die zuvor bereits erwähnte Nitrogenase, extrem sauerstoffempfindlich ist.
Mithilfe der Methode der RNA Interferenz (RNAi), durch die nicht das spezifische Gen, sondern seine
funktionalen Produkte wie mRNA und Protein ausgeschaltet werden, gelang es, die Bildung von
Leghämoglobin in der Modellpflanze Lotus japanicus vollkommen zu unterdrücken. Infolge des
fehlenden Leghämoglobins zeigten die Pflanzen deutlichen Stickstoffmangel, obwohl Rhizobien
vorhanden und Wurzelknöllchen gebildet wurden. Bei Düngung mit Stickstoff entwickelten sich die
Versuchspflanzen genauso gut wie die ungedüngten Kontrollpflanzen. Ganz offensichtlich waren die
transgenen Pflanzen nicht mehr in der Lage mit Hilfe der Bakterien Luftstickstoff zu binden.
Abb. 2: Wurzelknöllchen von Lotus japonicus: Größe und Färbung der Wurzelknöllchen des Wildtypes
wird hervorgerufen durch die hohe Konzentration an Leghämoglobin.
Bild: MPI für molekulare Pflanzenphysiologie
In weiteren Untersuchungen konnten die Pflanzenphysiologen zeigen, dass einerseits der Sauerstoffgehalt
in den Knöllchen erhöht war, andererseits das Enzym Nitrogenase nicht mehr nachgewiesen werden
konnte. Durch das Fehlen von Leghämoglobin konnte der Sauerstoff in den Knöllchen nicht mehr
abgepuffert werden, was zur Abschaltung des für die Nitrogenasesynthese zuständigen bakteriellen Genes
führt. Wegen des Fehlens der Nitrogenase kann der Luftstickstoff nicht mehr fixiert werden und
Stickstoffmangel tritt auf.
"Mit unserer Arbeit haben wir zweifelsfrei nachgewiesen, dass Leghämoglobin aufgrund seiner
Fähigkeiten zur "Sauerstoffpufferung" und zum Sauerstofftransport essenziell für die bakterielle
Stickstofffixierung ist", erklärt Thomas Ott. Keine essentielle Voraussetzung stellte es dagegen für das
Pflanzenwachstum und die Pflanzenentwicklung dar: Denn Stickstoffmangelsymptome infolge der
fehlenden Stickstofffixierung konnten im Experiment durch Düngung ausgeglichen werden.
[URS/CB]
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Originalveröffentlichung:
Thomas Ott, Joost van Dongen, Catrin Günther, Lene Krusell, Guilhem Desbrosses, Helene Vigeolas,
Vivien Bock, Tomasz Czechowski, Peter Geigenberger, and Michael K. Udvardi
Symbiotic Leghemoglobins are Crucial for Nitrogen Fixation in Legume Root Nodules but not for
General Plant Growth and Development
Current Biology, 29 March 2005
Weitere Informationen erhalten Sie von:
Thomas Ott
Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie, Golm
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