Weniger Dünger, mehr Natur: Schlüsselprotein aus Hülsenfrüchten könnte Landwirtschaft verändern

 

Forschende an der Universität Freiburg haben erstmals gezeigt, welches Protein die entscheidende Rolle in der Symbiose zwischen Knöllchenbakterien und Hülsenfrüchten spielt: das Protein SYFO2. Es funktioniert wie ein Türöffner, der stickstofffixierenden Bakterien, sogenannten Rhizobien, den Eintritt in die Wurzelzellen von Hülsenfrüchten ermöglicht. Diese Entdeckung ist nicht nur ein spannendes Detail der Grundlagenforschung, sondern könnte langfristig auch für andere Nutzpflanzen relevant werden, die bisher auf Stickstoffdünger angewiesen sind. Denn dem Forscherteam ist es außerdem gelungen, eine in Tomaten vorkommende Version von SYFO2 zu aktivieren. Könnten Tomaten oder andere wichtige Nutzpflanzen so ebenfalls eine Symbiose mit Rhizobien eingehen, ließe sich der Bedarf an Düngemitteln in der Zukunft womöglich senken.

Knöllchenbakterien „düngen“ Hülsenfrüchte und schützen das Klima

Die Symbiose aus Knöllchenbakterien und Hülsenfrüchten ist ein natürliches Phänomen und beliebtes Thema im Biologieunterricht: Warum benötigen Hülsenfrüchte wie Körnererbsen oder Ackerbohnen im Gegensatz zu anderen Nutzpflanzen keinen zusätzlichen Stickstoffdünger, um DNA und Protein in ihren Zellen aufzubauen? Weil sie in Gemeinschaft mit stickstofffixierenden Rhizobien leben. Diese bilden kugelförmige Strukturen an den Wurzeln der Hülsenfrüchte, die „Knöllchen“. Darin wandeln sie den Stickstoff aus der Bodenluft in für die Pflanze nutzbares Ammonium um.

Für den Anbau von Hülsenfrüchten muss daher weniger Dünger eingesetzt werden, und es gelangt kein mineralischer Stickstoffdünger in den Boden. Beides trägt dazu bei, den Ausstoß von Treibhausgasen zu verringern.

Das Protein SYFO2 öffnet das Tor für stickstofffixierende Bakterien

Wie viele Knöllchen sich bilden und wie effektiv sie Körnerleguminosen mit Stickstoff versorgen, ist ein entscheidender Faktor für eine erfolgreiche Ernte. Für Körnererbsen, Ackerbohnen oder Süßlupinen finden sich in Mitteleuropa im Regelfall ausreichend geeignete Knöllchenbakterien im Boden, die an den Wurzeln anhaften. Bei anderen Hülsenfrüchten wird das Saatgut jedoch mit den jeweils arttypischen Rhizobien beimpft, zum Beispiel bei Sojabohnen. Sichtbares Zeichen für gut arbeitende Knöllchen ist übrigens eine tiefrote Färbung im Inneren.

Dass hinter dieser hocheffizienten Zusammenarbeit ein Protein namens SYFO2 steckt, wurde jetzt erstmals im Rahmen des Projekts „Enabling Nutrient Symbioses in Agriculture“ (ENSA) entdeckt und in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht. Das Protein tritt dann in Aktion, wenn die Wurzelhaare der Pflanzen Bakterien eingefangen haben. Dann stößt es den Umbau des Zellskeletts an und öffnet so das Tor für die Bakterien ins Innere der Wurzelzellen. Dort lösen die Rhizobien eine Infektion aus, die zur Bildung der Knöllchen an den Wurzeln führt und in denen sie anschließend ihre stickstofffixierende Arbeit verrichten.

Potenzial für Tomaten und andere Nutzpflanzen?

Die meisten anderen Pflanzen leben in Symbiosen mit Pilzen, um ihre Versorgung mit Wasser und Nährstoffen zu verbessern. Stickstoff erhalten sie auf diesem Weg aber nicht – jedenfalls bislang nicht. Einige Pflanzen besitzen allerdings ebenfalls das Protein SYFO2. Das Forscherteam um den Zellbiologen Prof. Dr. Thomas Ott unternahm deshalb einen Versuch mit der tomateneigenen Version des Proteins: Es brachte den Transkriptionsfaktor NIM ein und aktivierte so das Tomaten-SYFO2-Gen. So zeigten die Forschenden, dass Gene, die normalerweise für die Symbiose mit Pilzen, also die Mykorrhiza-Symbiose, benötigt werden, auch für eine Symbiose mit Knöllchenbakterien genutzt werden können.

Gelänge es langfristig, Tomaten und andere Nutzpflanzen durch diesen Eingriff dazu zu befähigen, ähnlich wie Hülsenfrüchte Stickstoff aus der Luft zu verwerten, wäre das ein großer Schritt zur Einsparung mineralischer Stickstoffdünger und zu einer Reduzierung klimaschädlicher Treibhausgase

Quelle:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx8542

(Foto: Tomasz/stock.adobe.com)