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Forschende finden Genaktivator-Komplex für Nährstoffaustausch zwischen Pflanzen und Pilzen
Die meisten Landpflanzen gehen eine Symbiose mit Pilzen ein, die für beide Seiten vorteilhaft ist. Dabei tauschen die Pflanzen und Pilze lebenswichtige Nährstoffe aus. Prof. Dr. Caroline Gutjahr und ihr Team am MPI-MP haben nun einen molekularen Mechanismus entdeckt, der den Nährstoffaustausch zwischen Pflanzen und Pilzen überhaupt erst ermöglicht. Ihre Ergebnisse liefern vielversprechende Erkenntnisse über Proteine, die die Entwicklung von Nutzpflanzen mit verbesserter Nährstoffaufnahme unterstützen könnten und einen Beitrag zur Reduktion von Kunstdünger leisten könnten.
Die meisten Landpflanzen leben in einer Symbiose mit Bodenpilzen, der sogenannten arbuskulären Mykorrhiza. Diese Symbiose zwischen Pflanzen und Pilzen ist weit verbreitet und eine der ökologisch bedeutendsten Partnerschaften. Sie ermöglicht es über 80 % der Landpflanzen Nährstoffe – insbesondere Phosphor – besser aus dem Boden aufzunehmen. Im Gegenzug erhalten die Pilze energiereiche Lipide von den Pflanzen.
Im Zentrum dieses Nährstoffaustauschs stehen sogenannte Arbuskeln. Dabei handelt es sich um baumartige Pilzstrukturen in den Zellen der Wurzelrinde, die Mineralien wie Phosphat an die Pflanzenzelle abgeben und die von der Pflanze gelieferten Lipide aufnehmen. Sie sind von einer Pflanzenmembran umgeben, die voller Transportproteine ist, die die Mineralstoffe oder Lipide zum Symbiose-Partner leiten.
Das Protein RAM1 ist bekannt dafür, dass es für den Nährstoffaustausch zwischen Pflanzen und Pilzen von entscheidender Bedeutung ist. Es handelt sich dabei um einen pflanzlichen Transkriptionsfaktor – ein Protein, das die Aktivität und Transkription bestimmter Gene einschaltet. Wenn die Gene aktiviert sind, können sie als Vorlage für die Produktion bestimmter Proteine dienen. Insbesondere ist bekannt, dass RAM1 für die Entwicklung von Arbuskeln, für die Expression eines Phosphattransportergens und von Lipidbiosynthesegenen notwendig ist. Diese Funktionen sind für einen symbiotischen Nährstoffaustausch unerlässlich. Bislang war jedoch unklar, wie RAM1 die Genexpression reguliert, da es nicht direkt an die DNA binden kann.
Die Aktivierung der Gene für den Nährstoffaustausch entschlüsselt
Das Team um Prof. Gutjahr konnte nun in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Dr. Nitzan Shabek an der University of California, Davis, genau herausfinden, wie dies funktioniert. Ihre Forschungsergebnisse zeigen, dass RAM1 Komplexe mit WRI-Transkriptionsfaktoren bildet, die als Adapter für die DNA-Bindung fungieren. Diese enge physikalische Wechselwirkung mit einer Gruppe von WRI-ähnlichen DNA-bindenden Proteinen kann die Aktivierung von Genen steuern, die für den Nährstoffaustausch zwischen Pflanzen und AM-Pilzen während der Bildung von Arbuskeln unerlässlich sind.
„Unsere Arbeit bietet einen detaillierten Einblick in das molekulare Kontrollsystem, das eine der vorteilhaftesten Partnerschaften der Natur steuert“, sagt Caroline Gutjahr. „Das Verständnis, wie diese Gen-Netzwerke koordiniert werden, eröffnet neue Möglichkeiten, die Nährstoffaufnahme von Nutzpflanzen zu verbessern, ohne dabei stark auf Düngemittel angewiesen zu sein.“
Die Entdeckung könnte zu künftigen Bemühungen um eine nachhaltige Landwirtschaft beitragen, darunter die Züchtung oder Entwicklung von Nutzpflanzen, die symbiotische Interaktionen optimieren. Diese könnten das Wachstum auf natürliche Weise fördern und den Einsatz von chemischen Düngemitteln reduzieren, die schädlich für die Umwelt und das Trinkwasser sind.
Hintergrund
Die Studie wurde in Zusammenarbeit mit der Forschungsgruppe von Nitzan Shabek, Experte für Proteinstrukturen, an der University of California Davis (USA) durchgeführt. Das Labor von Prof. Dr. Caroline Gutjahr am Max-Planck-Institut untersucht die Symbiose zwischen Landpflanzen und Bodenpilzen. Arbuskuläre Mykorrhiza ist das zentrale Forschungsgebiet der Forschungsgruppe im Science Park Potsdam.
Prof. Dr. Caroline Gutjahr
Direktorin
Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie
Tel.: +49 331/567 8202
Mail: gutjahr@mpimp-golm.mpg.de
Michael Paries, Karen Hobecker, Sofia Hernandez Luelmo, Filippo Binci, Angelica Guercio, Annika Usländer, Catarina Cardoso, Yang Si, Lotta Wankner, Sagar Bashyal, Philip Troycke, Franziska Brückner, Priya Pimprikar, Nitzan Shabek and Caroline Gutjahr
The GRAS protein RAM1 interacts with WRI transcription factors to regulate plant genes required for arbuscule development and function
PNAS, Vol. 122, 2025, doi: 10.1073/pnas.2427021122
https://www.mpimp-golm.mpg.de/2795028/news_publication_24743940_transferred?c=40...
Arbuskel des Pilzes Rhizophagus irregularis in einer Wurzel des japanischen Hornklees Lotus japonicu ...
Priya Pimprikar
Priya Pimprikar (Gutjahr Labor)
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wissenschaftler, jedermann
Biologie, Tier / Land / Forst
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
Arbuskel des Pilzes Rhizophagus irregularis in einer Wurzel des japanischen Hornklees Lotus japonicu ...
Priya Pimprikar
Priya Pimprikar (Gutjahr Labor)
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