Hülsenfrüchte wie Bohnen, Erbsen und Soja, auch Leguminosen genannt, sind aufgrund ihres hohen Eiweißgehaltes bei Vegetariern und Veganern sehr beliebt. Auch Landwirte schätzen die Pflanzen, denn sie gehen eine Symbiose mit stickstofffixierenden Bakterien ein. Diese Bakterien binden Stickstoff aus der Luft und stellen ihn dann der Pflanze zur Verfügung. Im Gegenzug werden die Bakterien von den Pflanzen über Knöllchen an den Wurzeln mit Nährstoffen versorgt. Die Knöllchenbildung wird durch die Infektion mit Bakterien verursacht. Durch diese Symbiose benötigen Leguminosen selbst auf stickstoffarmen Böden keinen Stickstoffdünger.

Spross sendet Botenstoffe an Wurzeln

Damit weder zu viele Knöllchen gebildet noch zu wenig Stickstoff fixiert wird, müssen die oberirdischen Pflanzenteile im Austausch mit den Wurzeln stehen. Doch wie funktioniert dieser Handel? Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Katharina Markmann vom Zentrum für Molekularbiologie der Pflanzen der Universität Tübingen ist dieser Frage nachgegangen. Die Wissenschaftler fanden heraus, wie die Nachrichtenübertragung zwischen Blättern und Wurzeln in dieser Symbiose funktioniert. Wie die Pflanzenforscher im Fachjournal „Science“ berichten, sendet der Spross der Leguminosen spezielle Eiweißbotenstoffe, sogenannte Mikro-RNA-Abschnitte, genauer miR2111, an die Wurzeln. „Die Regulation muss den Spross mit einbeziehen, denn der Ernährungszustand der Blätter gibt vor, wie viele Knöllchen in der Wurzelsymbiose der Pflanze zuträglich sind“, erklärt Markmann. Zuvor fand man bereits heraus, dass die Pflanzen zu viele Wurzelknöllchen bilden und sich nur schlecht entwickeln, wenn in den Blättern der Rezeptor für die Signale aus den Knöllchen fehlt.

Botenstoff reguliert Knöllchenbildung

Die neu identifizierten Mikro-RNA-Abschnitte sorgen in den Wurzeln dafür, dass die Pflanze nur solange Wurzelknöllchen ausbildet, bis ein günstiges Gleichgewicht für das Pflanzenwachstum und die Bakterien erreicht ist. „Die Wurzeln exprimieren ein Gen, das normalerweise den Bakterien einen Riegel vorschiebt. miR2111 hemmt dieses Gen und macht so den Weg für die Bildung der Wurzelknöllchen und den Aufbau der Symbiose frei“, so Markmann. Nach zwei Tagen wird kein miR2111 mehr vom Spross gesendet, sodass die Selbstregulation der Symbiose einsetzen kann. Diese Erkenntnisse waren laut Markmann durchaus überraschend: „Wir wissen nun, dass die Mechanismen zur Regulation der Infektion schon an Ort und Stelle sind, bevor die Pflanze mit den Bakterien überhaupt in Kontakt kommt.“ Dadurch können die Pflanzen besonders schnell reagieren, sobald die Bakterien vorhanden sind. Durch den Botenstoff, der vom Spross aus gesendet wird, haben die Leguminosen außerdem jederzeit die Kontrolle über die Symbiose und können eine übermäßige Knöllchenausbildung und somit Nährstoffabgabe an die Bakterien verhindern.

Kommunikation zwischen Spross und Wurzel optimieren

Auf lange Sicht wollen die Wissenschaftler die neuen Erkenntnisse nutzen, um die Kommunikation zwischen Spross und Wurzel für eine optimale Stickstoffbindung auch unter ungünstigen Umweltbedingungen zu optimieren. Dieses Wissen ist vor allem für die Landwirtschaft von großem Interesse, da viele Böden einen Stickstoffmangel aufweisen und stickstoffhaltige Düngemittel teuer sowie oftmals umweltschädlich sind.

jmr