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Studie enthüllt Mechanismus, mit dem Pilze Pflanzenwurzeln besiedeln
Pflanzen sind ständig auf der Hut. Ihre Wurzeln sind mit molekularen Alarmsystemen ausgestattet, die eindringende Mikroben erkennen und Immunreaktionen auslösen. Dennoch gelingt es nützlichen Bodenpilzen regelmäßig, in lebende Pflanzenwurzeln einzudringen und dort enge Partnerschaften einzugehen, die für die Nährstoffversorgung der Pflanzen unerlässlich sind. Wissenschaftler haben nun entdeckt, dass diese Pilze kleine RNAs in die Pflanze einschleusen, die wahrscheinlich ausgewählte Abwehrsysteme von innen heraus heimlich ausschalten können.
Forscher des Max-Planck-Instituts für molekulare Pflanzenphysiologie und der LMU München berichten in Nature Plants, dass symbiontische Pilze winzige RNA-Moleküle in Zellen von Pflanzenwurzeln einschleusen. Diese Moleküle können sehr präzise bestimmte molekulare „Schlösser“ knacken. Sie nutzen den pflanzeneigenen Mechanismus zur Stilllegung von Genen, um gezielt bestimmte Gene, darunter auch solche zur Immunabwehr, vorübergehend auszuschalten. Dieser als „Cross-Kingdom RNA Interferenz” bezeichnete Prozess ermöglicht es Pilzen, Wurzeln zu besiedeln, ohne dabei eine Abwehrreaktion auszulösen.
Eine uralte unterirdische Allianz
Die arbuskuläre Mykorrhiza-Symbiose ist eine Partnerschaft zwischen etwa 80 % aller Landpflanzenarten – von Nutzpflanzen wie Weizen und Mais bis hin zu Gartengemüse und Bäumen – und Pilzen aus der Klade der Glomeromycotina. Fossile Funde deuten darauf hin, dass diese Symbiose vor etwa 400 bis 450 Millionen Jahren entstanden ist. Die Pilze dringen in Pflanzenwurzeln ein und bilden dort sogenannte Arbuskeln, komplexe, baumartige Strukturen. Über diese Strukturen liefern die Pilze mineralische Nährstoffe wie Phosphor an die Pflanze, während die Pflanze wiederum Kohlenstoffverbindungen bereitstellt.
Obwohl dieser Nährstoffaustausch Wissenschaftlern seit langem bekannt ist, blieb eine zentrale Frage offen: Wie gelingt es Pilzen, in lebende Pflanzenzellen einzudringen, ohne dabei eine Immunreaktion der Pflanze auszulösen?
Zusammenarbeit mit den pflanzeneigenen Mechanismen
Um diesem Rätsel auf den Grund zu gehen, untersuchte das Forschungsteam den Modellpilz Rhizophagus irregularis, der die Wurzeln der Hülsenfrucht Lotus japonicus besiedelt. Im Mittelpunkt stand das Pflanzenprotein ARGONAUTE1 (AGO1). Dieses Protein wirkt wie eine molekulare Schere: Es bindet kleine RNAs und wird von diesen zu Boten-RNAs geleitet, welche normalerweise in Proteine übersetzt werden. AGO1 zerstört dann die Boten-RNAs, wodurch die entsprechenden Gene stillgelegt werden bzw. die Proteine nicht hergestellt werden können.
Als die Wissenschaftler AGO1 aus den besiedelten Wurzeln von Lotus japonicus isolierten und seine gebundenen RNAs mittels Sequenzierung analysierten, fanden sie nicht nur kleine pflanzliche RNA-Moleküle, die daran gebunden waren, sondern auch kleine Pilz-RNAs. Dies deutete darauf hin, dass Pilz-RNAs in Pflanzenzellen gelangt waren und aktiv das pflanzeneigene System der Gen-Stilllegung steuerten.
Bioinformatische Analysen prognostizierten, dass diese Pilz-RNAs auf Pflanzengene abzielen, die an der Immunabwehr und der Umgestaltung der Zellwand beteiligt sind. Beides sind wichtige Mechanismen, mit denen Pflanzen normalerweise das Eindringen von Mikroorganismen verhindern. Mehrere Gene wurden experimentell als Ziele bestätigt. In-vitro-Spaltungsassays belegten zudem, dass Pilz-RNAs das pflanzliche AGO1 dazu anleiten können, entsprechende pflanzliche Boten-RNAs zu schneiden.
Direkter Nachweis in lebenden Wurzeln
Um zu bestätigen, dass eine Cross-Kingdom RNA Interferenz in den lebenden Pflanzenwurzeln stattfindet, nutzte das Team ein spezielles Reportersystem, das im Labor von Arne Weiberg an der LMU München (jetzt Universität Hamburg) entwickelt wurde. Der Reporter wurde gezielt in Wurzelzellen aktiviert, die Pilzstrukturen enthielten. Dies lieferte einen eindeutigen Echtzeit-Beweis dafür, dass Pilz-RNAs in Pflanzenzellen eindringen und dort Gene ausschalten.
Anschließend prüften die Forscher mithilfe einer Short-Tandem-Target-Mimic (STTM)-Strategie, ob diese RNAs auch funktionell relevant sind. Solche RNA-Sequenzen wirken wie molekulare Schwämme, die bestimmte kleine RNAs binden und sie damit an ihrer Funktion hindern. Wurden vier wichtige Pilz-RNAs auf diese Weise blockiert, war die Besiedlung der Wurzeln durch den Pilz deutlich reduziert. Dies zeigte, dass die übertragenen RNAs keine zufälligen Passagiere sind, sondern aktiv zur Etablierung der Symbiose beitragen.
Bemerkenswert war zudem, dass der Effekt räumlich stark begrenzt blieb. Nur jene Zellen, die Kontakt mit dem Pilz hatten, zeigten ein positives Reportersignal. Somit war die Immunaktivität möglicherweise nur lokal vorübergehend gedämpft, sodass die Pflanze ihre Abwehrkräfte im umliegenden Gewebe aufrechterhalten konnte.
„Es ist, als würde der Pilz die eigenen Sicherheitskontrollen der Pflanze nutzen. Er senkt gezielt und vorübergehend genau in den Zellen, in die er eindringen möchte, die Abwehrkräfte“, erklärt Co-Erstautorin Manisha Haag. Co-Erstautor Dr. An-Po Cheng ergänzt: „Was uns besonders fasziniert, ist, dass Pilz-RNAs selektiv eine kleine Gruppe von Pflanzengenen ansteuern, die möglicherweise die Immunität regulieren. So kann der Pilz eine Symbiose eingehen, während das gesamte Abwehrsystem der Pflanze weitgehend intakt bleibt.“
„Wir werden nun untersuchen, wie genau die vorhergesagten Zielgene der Pflanzen der Symbiose entgegenwirken“, sagt Direktorin Prof. Caroline Gutjahr, eine der leitenden Autorinnen der Studie.
Bedeutung für eine nachhaltige Landwirtschaft
Die Ergebnisse zeigen eine bislang verborgene Ebene der Kommunikation zwischen Pflanzen und nützlichen Bodenpilzen. Sie legen nahe, dass sich solche molekularen Austauschprozesse bereits sehr früh in der Evolution des Lebens auf der Erde entwickelt haben.
Ein besseres Verständnis darüber, wie Pilze die Immunität von Pflanzen feinjustieren, könnte künftig helfen, Wekrzeuge zu entwicklen, mit deren Hilfe Nutzpflanzen effizienter mit nützlichen Bodenorganismen zusammenarbeiten. Dadurch könnte die Nährstoffaufnahme von Nutzpflanzen verbessert und die Abhängigkeit von synthetischen Düngemitteln verringert werden.
Prof. Dr. Caroline Gutjahr
Direktorin
Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie
Mail: gutjahr@mpimp-golm.mpg.de
Usländer, A., Haag, M.V., Cheng, AP. et al. Cross-kingdom RNA interference promotes arbuscular mycorrhiza development. Nat. Plants (2026). https://doi.org/10.1038/s41477-026-02247-2
https://www.mpimp-golm.mpg.de/2890420/news_publication_26246322_transferred
Die Co-Erstautoren Dr. An-Po Cheng und Manisha Haag untersuchten Lotus japonicus und seine Beziehung ...
Quelle: MPI-MP/sevens+maltry
Copyright: MPI-MP/sevens+maltry
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wissenschaftler, jedermann
Biologie, Umwelt / Ökologie
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
Die Co-Erstautoren Dr. An-Po Cheng und Manisha Haag untersuchten Lotus japonicus und seine Beziehung ...
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