Basis einer Zweckgemeinschaft entschlüsselt
Nach 40 Jahren endlich der Nachweis: Leghämoglobin ist essenziell für die symbiontische Stickstofffixierung in Leguminosen
Stickstoff besitzt innerhalb der Pflanzennährstoffe eine herausragende Bedeutung, da er wesentlicher Bestandteil vieler wichtiger Verbindungen in Pflanzen ist. 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 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-Instituteserstmalig 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 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 Nitrogenase.
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 dem Sauerstofftransport und der Sauerstoffspeicherung. Die Fähigkeit zur Bindung des für Energieprozesse notwendigen Sauerstoffs ist für Leguminosen von 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.
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.
Originalveröffentlichung: T. Ott, J. van Dongen, C. Günther, L. Krusell, G. Desbrosses, H. Vigeolas, V. Bock, T. Czechowski, P. Geigenberger, M. K. Udvardi; "Symbiotic Leghemoglobins are Crucial for Nitrogen Fixation in Legume Root Nodules but not for General Plant Growth and Development"; Current Biology 2005.
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