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05.04.2018

Wie Pflanzen bei Eisenmangel überleben

Gaterslebener Forscher haben geklärt, wie Pflanzen auf eisenarmen Böden überleben: Durch die variable Struktur sogenannter Eisenträger kann das Metall aufgenommen werden.

Viele Pflanzen haben einen Mechanismus entwickelt, um auch auf Eisenarmen Böden zu überleben.
Viele Pflanzen haben einen Mechanismus entwickelt, um auch auf Eisenarmen Böden zu überleben.
Quelle: 
Pixabay

Eisen ist für Pflanzen lebensnotwenig. Der Nährstoff ist zwar ein natürlicher Bestandteil des Bodens, ist allerdings nicht immer und überall in ausreichender Menge verfügbar. Das trifft vor allem auf Böden mit einem hohen Kalkanteil oder hohen pH-Wert zu. Um trotzdem an den lebenswichtigen Nährstoff heranzukommen, haben Pflanzen im Laufe der Evolution verschiedene Strategien entwickelt. So geben viele Pflanzen unter Eisenmangel Coumarin-artige Siderophore, sogenannte Eisenträger ab, die sich in der wurzelnahen Zone, der Rhizosphäre, ausbreiten und dort mit dreiwertigen Eisen (Fe3+) einen chemischen Komplex bilden. Wandern diese dann zurück zur Wurzeloberfläche, werden sie durch Plasmamembran-gebundene Reduktasen zu besser löslichem, zweiwertigen Eisen (Fe2+) abgebaut. Diese kann wiederum durch Membranproteine von der Pflanze aufgenommen werden.

Eisenträger mit wandlungsfähiger Struktur

Forscher am Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben konnten nun gemeinsam mit Forschenden der Universität Stanford in Kalifornien eine Lücke im Biosyntheseweg dieser coumarinartigen Siderophore schließen. Die Ergebnisse stellen die Wissenschaftler im Fachjournal „Nature Chemical Biology“ vor. Bei ihren Untersuchungen an der Modellpflanze Ackerschmalwand stellte sich heraus, dass die chemische Struktur der Eisenträger sehr wandlungsfähig ist, was den Biosyntheseweg gleich mehrfach positiv beeinflusst.

Lösliches Eisen entsteht ohne Hilfe von Enzymen

Eine dieser überraschenden Eigenschaften ist die Fähigkeit, dass die Coumarin-artigen Siderophore während der Komplexbildung selbst das dreiwertige Eisen reduzieren können, wie Nicolaus von Wirén vom IPK erklärt. „Diese Fähigkeit erleichtert die Mobilisierung von schwer löslichem Eisen im Boden und erlaubt es, die enzymatische Reduktion der dreiwertigen Eisenkomplexe an der Plasmamembran zu umgehen, um zweiwertiges Eisen zu erhalten. Zudem können diese coumarinartigen Siderophore potenziell als Redox-Fähren agieren, nämlich wenn sie selbst an der Plasmamembran reduziert werden und dadurch die Fähigkeit erhalten, weiteres dreiwertiges Eisen im Boden zu lösen sobald sie in die Rhizosphäre zurückgekehrt sind.“

Eisenmangel induziert die Synthese der Coumarin-artigen Siderophore durch Enzyme. Moleküle werden in die Rhizosphäre abgegeben. Sie helfen Pflanzen Eisen aus unlöslichen Quellen zu mobilisieren.
Quelle: 
Ricardo FH Giehl und Jakub Rajniak

Eisenmangel induziert die Synthese der Coumarin-artigen Siderophore durch Enzyme. Diese Moleküle werden in die Rhizosphäre abgegeben. Sie helfen Pflanzen Eisen aus unlöslichen Quellen zu mobilisieren.

pH-Wert im Boden beeinflusst Coumarin-Anteil

Darüber hinaus beobachten die Forscher noch eine andere positive Facette. „Die Anteile verschiedenartiger Coumarine in den Wurzelabscheidungen ändern sich mit dem pH-Wert der Rhizosphäre. Das ist besonders interessant, weil strukturelle Besonderheiten ihre Fähigkeit zur Komplexierung und Reduktion von Eisen bestimmen“, sagt Ricardo Giehl vom IPK. Das Team stellte fest, dass diese bemerkenswerte Wandlungsfähigkeit der Eisenträger bei anderen Pflanzenarten sogar noch größer ist.

Eisenmangel-tolerante Pflanzen züchten

Die Entdeckung der Variabilität Coumarin-artiger Siderophore könnte die Grundlage für die Züchtung neuer Pflanzenarten sein, die auf kalkhaltigen Böden besser überleben. Mithilfe der Gensequenzen, die für die Enzyme der Coumarin-Biosynthese kodieren, könnten genetische Marker entwickelt werden, die die Auswahl entsprechender Linien erleichtern, die sich durch eine erhöhte Synthese und Abgabe Eisen-mobilisierender Siderophore auszeichnen.

bb

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