Neue Peptidfamilie steuert Stickstofffixierung ohne bakterielle „Opferstrategie“ Forschungsteam der TU Braunschweig veröffentlicht in „Science Advances“

Pflanzen brauchen Stickstoff, um zu wachsen. Viele Hülsenfrüchtler decken diesen Bedarf über eine Symbiose: Sie beherbergen Bakterien, die Luftstickstoff binden und der Pflanze verfügbar machen. Wie eine mehrjährige Pflanze diese Symbiose steuert, ohne ihre bakteriellen Partner dabei zu zerstören, war bislang weitgehend unklar. Ein internationales Team unter Leitung der Technischen Universität Braunschweig hat nun einen bisher unbekannten Mechanismus beschrieben. Die Ergebnisse erscheinen im renommierten Fachjournal „Science Advances“.

Stickstoff zählt zu den wichtigsten Nährstoffen für Pflanzen und sorgt damit nicht nur für hohe Erträge in der Landwirtschaft, sondern auch für gesunde Wälder. Obwohl Stickstoff als Gas rund 78 Prozent der Luft ausmacht, können ihn Pflanzen nicht direkt nutzen. Hülsenfrüchtler wie Erbse, Klee oder die Robinie behelfen sich mit Knöllchenbakterien: In kleinen Verdickungen der Wurzeln, den Wurzelknöllchen, wandeln diese Bakterien Luftstickstoff in pflanzenverfügbares Ammonium um. Im Gegenzug versorgt die Pflanze die Bakterien mit Energie.

„Stickstofffixierung gehört zu den wichtigsten biologischen Prozessen überhaupt. Sie ist zentral für natürliche Ökosysteme und reduziert zugleich den Bedarf an energieintensiv hergestellten Düngemitteln“, erklärt Professor Robert Hänsch vom Institut für Pflanzenbiologie der TU Braunschweig.

Um die Symbiose möglichst effizient für ihre Zwecke zu nutzen, programmieren Hülsenfrüchtler die Bakterien so um, dass sie besonders viel Stickstoff produzieren. Dazu bilden die Wurzelknöllchen kurzkettige Proteine, sogenannte Peptide, die gezielt die Genaktivität der Bakterien steuern. Viele einjährige Hülsenfrüchtler wie die Erbse setzen dabei auf Zwang: Ihre Peptide treiben die Bakterien in eine „terminale Differenzierung“, in der diese anschwellen und unwiderruflich ihre Teilungsfähigkeit verlieren.

Wie mehrjährige Hülsenfrüchtler die Symbiose kontrollieren, war bisher weitgehend unbekannt. Neue Erkenntnisse von Wissenschaftler*innen der TU Braunschweig und der Southwest University Chongqing (China) könnten dies ändern: Sie entdeckten in den Wurzelknöllchen der Robinie eine ungewöhnliche Gruppe von Peptiden, die die Stickstofffixierung der Bakterien stark anregen. Diese Peptide werden gebildet, sobald die Bakterien die Wurzeln besiedeln. Laborversuche zeigten, dass Bakterien, die den Peptiden ausgesetzt sind, ihre Genaktivität deutlich in Richtung Stickstofffixierung verschieben.

„Besonders an den neu entdeckten Peptiden ist, dass sie die Knöllchenbakterien nicht so weit beeinträchtigen, dass sie sich nicht mehr fortpflanzen können. Das unterscheidet sie von allen bisher bekannten Peptiden, mit denen andere Vertreter der Hülsenfrüchtler ihre Symbiose kontrollieren“, sagt Robert Hänsch.

„Unsere Ergebnisse zeigen eine alternative Form der Symbiontenmodulation: Die Robinie verschiebt die Physiologie ihrer Rhizobien in Richtung Stickstofffixierung, ohne terminale Differenzierung auszulösen“, ergänzt Dr. Kevin Oliphant, der als korrespondierender Autor die Studie verantwortete. Er war zuvor Postdoktorand an der TU Braunschweig und forscht heute an der University of Oxford (Großbritannien).

Damit geht die Robinie den umgekehrten Weg im Vergleich zu einjährigen Pflanzen: Die Bakterien bleiben lebens- und teilungsfähig und werden zu dauerhaften Mitbewohnern. Für ein langlebiges Gehölz, das seine Symbiose über viele Wachstumsperioden stabil halten muss, ist diese schonende Form der Zusammenarbeit ein plausibler Vorteil.

Forschung verschiedener Disziplinen

Beteiligt an der Studie waren Forschende sehr unterschiedlicher Disziplinen, von der Pflanzenbiologie über die Mikrobiologie und die physikalische Chemie bis zur Geomechanik, die mit hochauflösender Computertomografie die Entwicklung der Wurzelknöllchen sichtbar machte. Neben der TU Braunschweig und der Southwest University Chongqing wirkten das Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) in Braunschweig, Helmholtz Munich sowie das Leibniz-HKI in Jena mit.