Wurzelbarrieren: Schlüssel zur Stickstofffixierungssymbiose enthüllt

Stickstoff, entscheidend für das Pflanzenwachstum, treibt Leguminosen wie Bohnen und Kichererbsen dazu an, sich an stickstoffarme Böden anzupassen. Sie bilden Wurzelknöllchen, die Bakterien beherbergen, die Stickstoff aus der Luft gewinnen können. Diese Rhizobien erhalten Zucker von der Pflanze im Austausch für den fixierten Stickstoff. Eine Studie der Universität zu Köln, der Universität Kopenhagen und des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln hat Licht auf diese Symbiose geworfen. Ihre in Science veröffentlichte Forschung beschreibt die wichtige Rolle von Wurzelbarrieren bei der Regulierung des empfindlichen Stoffwechsels zwischen Pflanzen und Bakterien. Der Caspary-Streifen, eine wasserdichte Barriere in Pflanzenwurzeln, fungiert als Torwächter und kontrolliert den Fluss von Wasser und Nährstoffen in das Gefäßsystem der Pflanze. Diese Barriere entwickelt sich parallel zu den äußeren Knöllchen. Die Bildung dieser Knöllchen wird ebenfalls fein reguliert: Wenn Stickstoff knapp ist, senden die Wurzeln ein Alarmsignal, das CEP1-Peptid, an die Blätter, das dann die Knöllchenbildung verstärkt. Das Forschungsteam entdeckte, dass der Caspary-Streifen die zugehörigen Signalwege steuert. Sie untersuchten die Leguminose Lotus japonicus. Als die Wissenschaftler den Caspary-Streifen entfernten, bildeten die Pflanzen auf stickstoffarmem Boden nur sehr langsam Knöllchen. Dies lag nicht an der undichten Barriere, sondern daran, dass kein CEP1-Signal erzeugt wurde. Die Pflanzen konnten den Stickstoffmangel nicht erkennen und darauf reagieren. Innerhalb der Knöllchen fanden die Forscher auch eine kompakte Version des Caspary-Streifens, die den Austausch zwischen Pflanze und Bakterien reguliert. Ohne diese Barriere fließt Zucker ungehindert von der Pflanze in die Knöllchen. Dies führt dazu, dass sich Bakterien weiter vermehren, aber sie produzieren keine Stickstoffverbindungen mehr als Nährstoffe für die Pflanze. "Die Studie liefert neue Einblicke in die Interaktion von Pflanzen und Mikroben und etabliert ein neues Modellsystem, um zu untersuchen, wie eine vorteilhafte Partnerschaft auf engstem Raum stattfinden kann", fasst Hauptautor Tonni Grube Andersen zusammen. Laut den Forschern haben Pflanzen dieses fein abgestimmte Kontrollsystem entwickelt, um sicherzustellen, dass die Partnerschaft fair bleibt.