Mehr als 80 Prozent aller Landpflanzen leben in Symbiose mit Mykorrhiza-Pilzen. Die Pilze nehmen anorganische Nährstoffe – vor allem Phosphat und Stickstoff – aus dem Boden auf und stellen sie den Pflanzen zur Verfügung. Im Gegenzug versorgen Pflanzen die Pilze mit energiereichen Kohlenhydraten. Ein Team um die LMU-Biologin Caroline Gutjahr hat in Zusammenarbeit mit den Arbeitsgruppen von Peter Dörmann (Universität Bonn), Wolfgang Eisenreich (TU München) und Martin Parniske (LMU) nun die gängige Lehrbuchmeinung widerlegt, dass die Pflanze ihrem Partner ausschließlich Zucker als Kohlenstoffquelle liefert: Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass auch Fette an den Pilz abgegeben werden. Über ihre Ergebnisse berichten sie im renommierten Fachmagazin eLife.
Mykorrhiza-Pilze sind wie alle Organismen auf Lipide – also Fette und fettähnliche Substanzen – angewiesen, da diese unter anderem für den Aufbau zellulärer Membranen und als Energiespeicher wichtig sind. „Allerdings fehlen Mykorrhiza-Pilzen die Gene für den Hauptweg der Lipidbiosynthese, deshalb können sie bestimmte essenzielle Fettsäuren nicht selber herstellen“, sagt Gutjahr. „Wir haben deshalb mithilfe zweier Mutanten der Modellpflanze Lotus japonicus untersucht, ob die Pflanze diesen Mangel ausgleicht.“ Lotus japonicus ist eine Leguminose, die mit Klee, Erbsen, Bohnen und Linsen verwandt ist. Die von Gutjahrs Team gefundenen Mutanten tragen Veränderungen in Genen, die für die Fettsäure- und Lipidbiosynthese eine wichtige Rolle spielen. Sie werden signifikant weniger durch Mykorrhiza-Pilze besiedelt als der Wildtyp. Insbesondere können sich die stark verzweigten Arbuskel – bäumchenförmig verzweigte Pilzhyphen in den Pflanzenwurzeln, an denen der Nährstoffaustausch mit der Pflanze stattfindet – nicht voll entwickeln.
Ein umfassendes Screening der Fettsäuren und Lipide in den mykorrhizierten Wurzeln der Lotus japonicus-Wildform und der Mutanten zeigte, dass bestimmte Pilz-spezifische Fettsäuren in der Mykorrzhiza der Mutanten entweder gar nicht oder nur in sehr geringen Mengen vorkommen. „Dies brachte uns zu der Annahme, dass der Pilz, wenn er eine Lipidbiosynthese-Mutante besiedelt, an Lipidmangel leidet“, sagt Andreas Keymer, Doktorand und Erstautor der Studie. Mithilfe von stabilen Kohlenstoff-Isotopen wiesen die Wissenschaftler nach, dass der Lotus japonicus-Wildtyp tatsächlich Lipide an den Pilz überträgt – die Pflanze ernährt den Pilz also nicht nur mit Zucker, wie bisher gedacht, sondern auch mit Fetten.
Die Wissenschaftler nehmen an, dass der Pilz die Lipide verwendet, um so schnell wie möglich ein dichtverzweigtes und weitreichendes Hyphennetzwerk zu bilden. Auch für die Sporenbildung benötigt der Pilz große Mengen an Lipiden. Als nächstes wollen die Wissenschaftler untersuchen, über welche Mechanismen die pflanzlichen Lipide zum Pilz transportiert werden. „Außerdem ist es wichtig, herauszufinden, in welchen Verhältnis Zucker und Lipide dem Pilz zur Verfügung gestellt werden“, sagt Gutjahr. Das kann Hinweise darauf geben, wie viel Energie die Pflanze in den Pilz investiert, da die Herstellung von Lipiden mehr Energie erfordert als die von Zuckern. Ein besseres Verständnis dieser symbiontischen Lipidbiosynthese könnte dazu beitragen, Symbiose-optimierte Nutzpflanzen zu züchten.
Publikation:
Lipid transfer from plants to arbuscular mycorrhiza fungi
Andreas Keymer, Priya Pimprikar Vera Wewer, Claudia Huber, Mathias Brands, Simone L. Bucerius, Pierre-Marc Delaux, Verena Klingl, Edda von Röpenack-Lahaye, Trevor L. Wang, Wolfgang Eisenreich, Peter Dörmann, Martin Parniske, Caroline Gutjahr
eLife 2017
https://elifesciences.org/articles/29107
Kontakt:
Dr. Caroline Gutjahr
Emmy Noether Research Group Leader
Faculty of Biology - Genetics
LMU Munich
Phone: +49 (0)89 / 2180-74740
E-Mail: caroline.gutjahr@lmu.de
Prof. Dr. Peter Dörmann
Institute of Molecular Physiology
and Biotechnology of Plants (IMBIO)
University of Bonn
Phone: +49 (0)228 / 73-2830
E-Mail: doermann@uni-bonn.de