Die Mehrheit der Pflanzen lebt in Symbiose mit Mykorrhiza-Pilzen. Diese unterirdische Lebensgemeinschaft ist für Pflanze und Wurzelpilz gleichermaßen vorteilhaft. Doch wie entstehen solche Symbiosen und wie entscheiden Pflanzen, ob die Interaktion zustande kommt oder nicht? Ein Team um die Symbioseforscherin Caroline Gutjahr vom Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam liefert dazu neue Erkenntnisse.

Rolle von arbuskulärer Mykorrhiza auf Symbiose

Im Fokus der Studie stand die sogenannte arbuskuläre Mykorrhiza – eine besonders enge Symbioseform. Dabei besiedeln Pilze die Pflanzenwurzel und bilden in den Wurzelzellen kleine bäumchenartige Strukturen, die Arbuskeln. Über das Feinwurzelsystem im Boden, die sogenannten Hyphen der Pilze, gelangen dann wichtige Nährstoffe und Wasser aus dem Boden in die Pflanze. Im Gegenzug erhält der Pilz von der Pflanze Kohlenhydrate und Lipide, die diese aus der Photosynthese gewinnt.

Zwar hat sich die Symbiose zwischen Pflanze und Pilz seit Jahrmillionen bewährt. Doch es gibt auch Ausnahmen. Unter bestimmten Bedingungen lehnen Pflanzen solch eine Interaktion ab. Im Rahmen der Studie untersuchten die Potsdamer Forschenden, welche Prozesse in den Wurzeln der Pflanze die Symbiose zulassen oder ablehnen.

Pflanzenhormon Ethylen reguliert Symbiose bei Stress

Wie das Team im Fachjournal Nature schreibt, spielen bei der Symbiose Hormone eine entscheidende Rolle. Insbesondere der Einfluss des Stresshormons, das die Pflanze produziert, konnte aufgeklärt werden. „Seit etwa 40 Jahren wissen wir, dass das gasförmige Pflanzenhormon Ethylen, welches bei Stress wie zum Beispiel Überflutung von Pflanzen gebildet wird, die Symbiose zwischen Pflanzen und Pilzen hemmt“, erklärt Gutjahr. „Nun lernten wir, welche Prozesse dabei in den Pflanzen ablaufen und wie verschiedene Pflanzenhormone zusammenspielen. Endlich wissen wir, was passiert, wenn sich Pflanzen für oder durch Ethylenbildung gegen diese Partnerschaft entscheiden.“

Die Studie ergab, dass das Pflanzenhormon Ethylen – entgegen bisheriger Annahmen – nicht zu einer Abwehr durch das pflanzliche Immunsystem gegen den Pilz führt. Stattdessen sorgt es für eine Anhäufung des zentralen Steuerungsproteins SMAX1, das eine Reihe von Pflanzengenen unterdrücken kann, die für die Ausbildung der Symbiose zuständig sind. „Bei unpassenden Umweltbedingungen produziert die Pflanze also ein Hormon, das ihre Symbiosegene hemmt. Die Ausbildung der Symbiose wird verringert oder nicht mehr zugelassen“, schreiben die Forschenden. Ändern sich die Bedingungen, übernehmen wiederum andere Hormone das Steuer und sorgen für den Abbau von SMAX1. In Zusammenarbeit mit Forschenden in Kalifornien konnten die Potsdamer zudem zeigen, dass Ethylen die Ansammlung von SMAX1 auch in Pflanzen fördert, welche die Fähigkeit zur Symbiose mit Pilzen verloren haben.

Wichtige Erkenntnis für Züchtung stressresistenter Nutzpflanzen

Mit ihrer Studie konnten die Forschenden nicht nur klären, wie Pflanzen die Symbiose zu Pilzen unter Stressbedingungen regulieren. Sie liefern damit ebenfalls wichtige Erkenntnisse für die Züchtung von Nutzpflanzen, die auch unter veränderten Stress- oder Klimabedingungen vorteilhafte Partnerschaften mit Pilzen eingehen und damit Ernten sichern.

Für die Erforschung des Zusammenlebens von Pflanzen und symbiontischen Pilzen im Boden erhielt Caroline Gutjahr 2023 den begehrten Consolidator Grants des Europäischen Forschungsrates (ERC). In der Porträtreihe „Die Biopioniere“ wurde die Biologin und ihr Forschungsfeld genauer vorgestellt.

bb