Sonne, Wasser, Luft und Nährstoffe: Das sind die Grundbedürfnisse von Pflanzen, um zu wachsen. Weil es nicht immer einfach ist, aus dem Boden hinreichend Nährstoffe zu beziehen, haben mehr als 80 % aller Pflanzen eine Symbiose mit bestimmten Pilzen gebildet, eine sogenannte arbuskuläre Mykorrhiza. Wie Pflanzen diese Symbiose initiieren und deren Aktivität regulieren, hat jetzt ein Forschungsteam unter Führung der TU München aufgeklärt und berichtet darüber im Fachjournal „Nature Communications“.

Phosphat im Austausch gegen Kohlenstoff

Bei der arbuskulären Mykorrhiza wächst der Pilz in die Wurzelrindenzellen der Pflanze hinein und bildet zugleich im Boden ein großes Netz aus sogenannten Hyphen. Über diese Hyphen nimmt der Pilz Nährstoffe auf, darunter das für Pflanzen bedeutsame Phosphat, und leitet diese direkt in die Pflanze. Die Pflanze teilt im Gegenzug den über die Photosynthese gewonnenen Kohlenstoff mit ihrem Symbionten.

Schon vor Jahrzehnten ist Forschenden jedoch aufgefallen, dass die Pflanze bei dieser Symbiose klar den Ton angibt: Mangelt es der Pflanze nicht an Phosphat, fährt sie die Symbioseaktivität herunter – vermutlich um den eigenen Kohlenstoff zu sparen. Nimmt der Phosphatmangel jedoch zu, verstärkt die Pflanze die Symbioseaktivität. Bislang war jedoch unklar, wie diese Regulation gesteuert ist. Jetzt konnte das Forschungsteam zeigen, dass ein Protein namens PHR der Schlüssel ist.

PHR reguliert die Aktivität der Symbiose

PHR ist ein sogenannter Transkriptionsfaktor und beeinflusst die DNA dahingehend, ob und in welcher Menge ein bestimmtes Protein in der Zelle gebildet wird. „Wir wollten herausfinden, wie die Ausbildung der arbuskulären Mykorrhiza in Abhängigkeit von der Phosphatverfügbarkeit reguliert wird und stellten die Hypothese auf, dass PHR dafür verantwortlich sein könnte“, erläutert Caroline Gutjahr, Professorin für Pflanzengenetik an der TU München. Dazu veränderten die Fachleute Reispflanzen und die Modellpflanze Lotus japonicus so, dass diese kein PHR bilden konnten. Und tatsächlich waren diese Pflanzen dann nicht in der Lage, auf Änderungen in der Phosphatverfügbarkeit zu reagieren, indem sie ihre Mykorrhiza-Aktivität anpassten.

Das Ausschalten des Gens für das PHR-Protein hatte jedoch noch mehr Folgen. Auch andere Proteine, die an der Funktion der Mykorrhiza beteiligt sind, waren jetzt nicht mehr aktiv, darunter ein Hormon, das wesentlich dafür verantwortlich ist, die Symbiose mit dem Pilz überhaupt erst zu initiieren.

Bessere Nährstoffversorgung als Züchtungsziel

„Auf der Grundlage unseres neuen Wissens könnte durch Züchtung oder Genom-Editierung die Phosphatempfindlichkeit von Pflanzen verändert werden“, beschreibt Gutjahr die Bedeutung der Entdeckung. Da die Symbiose die Pflanze noch mit weiteren Nährstoffen unterstützt, wäre denkbar, die Aktivität der Mykorrhiza grundsätzlich zu verstärken, erklärt die Genetikerin: „Durch ‚tuning‘ von PHR könnte man zum Beispiel die Phosphatempfindlichkeit der Pflanze herabsetzen und bei höheren Phosphatkonzentrationen im Boden die Ausbildung der Symbiose fördern und somit ihre anderen Vorteile für die landwirtschaftliche Produktion nutzen.“

bl