Stickstoff ist für das Wachstum von Pflanzen unverzichtbar. Darum haben sich Hülsenfrüchte (Leguminosen) wie Bohnen und Kichererbsen an ein Leben auf stickstoffarmen Böden angepasst. Sie bilden Wurzelknöllchen, in denen spezielle Bakterien Stickstoff aus der Luft aufnehmen können. Diese Rhizobien erhalten im „Tauschgeschäft“ für den fixierten Stickstoff Zucker von der Pflanze.

Eine Studie von Forschenden der Universität zu Köln, der Universität Kopenhagen und des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln hat nun diese Symbiose genauer beleuchtet. Im Fachmagazin Science beschreiben sie die entscheidende Rolle von Wurzelbarrieren bei der Regulation des empfindlichen Stoffwechsels zwischen Pflanzen und Bakterien.

Wurzelbarriere als Schaltzentrale

Der Caspary-Streifen, eine wasserdichte Barriere in Pflanzenwurzeln, entscheidet als „Türsteher“ darüber, wie viel Wasser und welche Nährstoffe in das Gefäßsystem der Pflanze gelangen. Diese Wurzelbarriere entwickelt sich gleichzeitig mit den außerhalb liegenden Knöllchen. Auch die Bildung dieser Knöllchen ist ein fein regulierter Vorgang: Ist zu wenig Stickstoff vorhanden, senden die Wurzeln ein Alarmsignal in Form des Peptids CEP1 an die Blätter, die daraufhin die Knöllchenbildung verstärken.

Nun zeigte sich, dass es der Caspary-Streifen ist, der die beteiligten Signalwege steuert. Das Forschungsteam untersuchte dafür die Hülsenfrucht Lotus japonicus, eine Form des Gewöhnlichen Hornklees. Entfernten die Wissenschaftler den Caspary-Streifen, bildeten die Pflanzen auf stickstoffarmem Boden nur sehr langsam Knöllchen. Das lag jedoch nicht an der undichten Barriere, sondern daran, dass kein CEP1-Signal mehr produziert wurde. Die Pflanzen konnten den Stickstoffmangel also nicht erkennen und darauf reagieren.

Grundlage einer fairen Partnerschaft

In den Knöllchen selbst fanden die Forschenden außerdem eine kompakte Version des Caspary-Streifens, die den Austausch zwischen Pflanze und Bakterien reguliert. Ohne diese Barriere gelangt Zucker ungehindert aus der Pflanze in die Knöllchen. Dadurch vermehren sich Bakterien zwar weiter, produzieren jedoch keine Stickstoffverbindungen mehr als Nährstoffe für die Pflanze.

„Die Studie liefert neue Erkenntnisse darüber, wie Pflanzen und Mikroben miteinander interagieren, und etabliert ein neues Modellsystem, um zu untersuchen, wie eine vorteilhafte Partnerschaft auf engstem Raum stattfinden kann“, fasst Hauptautor Tonni Grube Andersen zusammen. Den Forschenden zufolge haben Pflanzen dieses fein abgestimmte Kontrollsystem entwickelt, damit die Partnerschaft fair bleibt.

chk