Neue Peptidfamilie reguliert Stickstofffixierung ohne bakterielle „Opferstrategie“
Pflanzen benötigen Stickstoff als essenziellen Nährstoff für ihr Wachstum. Viele Hülsenfrüchtler nutzen eine Symbiose mit Knöllchenbakterien, die atmosphärischen Stickstoff binden und in eine für die Pflanze verfügbare Form umwandeln. Die genaue Steuerung dieser Symbiose bei mehrjährigen Pflanzen, ohne die bakteriellen Partner zu schädigen, war bisher weitgehend unbekannt. Ein Forschungsteam unter Leitung der Technischen Universität Braunschweig hat nun einen bislang unbekannten Mechanismus identifiziert, dessen Ergebnisse im Fachjournal Science Advances veröffentlicht wurden.
Bedeutung der Stickstofffixierung für Pflanzen
Obwohl Stickstoff etwa 78 % der Erdatmosphäre ausmacht, können Pflanzen diesen nicht direkt aufnehmen. Hülsenfrüchtler wie Erbse, Klee oder Robinie beherbergen daher Knöllchenbakterien in Wurzelknöllchen. Diese Mikroorganismen wandeln Luftstickstoff in Ammonium um, das von der Pflanze genutzt werden kann. Im Gegenzug versorgt die Pflanze die Bakterien mit Energie.
Professor Robert Hänsch vom Institut für Pflanzenbiologie der TU Braunschweig betont die zentrale Rolle der Stickstofffixierung für natürliche Ökosysteme und die Reduktion des Einsatzes energieintensiver Düngemittel.
Unterschiedliche Strategien der Symbiose-Steuerung
Hülsenfrüchtler regulieren die Bakterienaktivität durch kurzkettige Proteine, sogenannte Peptide, die in den Wurzelknöllchen gebildet werden. Bei einjährigen Pflanzen wie der Erbse führen diese Peptide häufig zu einer terminalen Differenzierung der Bakterien: Diese schwellen an, verlieren ihre Teilungsfähigkeit und können sich nicht mehr vermehren, was als „Opferstrategie“ bezeichnet wird.
Im Gegensatz dazu war die Steuerung der Symbiose bei mehrjährigen Pflanzen bislang wenig erforscht. Das Team der TU Braunschweig und der Southwest University Chongqing (China) entdeckte in den Wurzelknöllchen der Robinie eine neue Peptidfamilie, die die Stickstofffixierung der Bakterien stark fördert, ohne deren Teilungsfähigkeit zu beeinträchtigen.
Charakteristika der neu entdeckten Peptide
- Produktion beginnt mit der Besiedlung der Wurzeln durch Bakterien.
- Fördern eine Verschiebung der bakteriellen Genaktivität hin zur Stickstofffixierung.
- Verursachen keine terminale Differenzierung, sodass die Bakterien lebens- und teilungsfähig bleiben.
Robert Hänsch hebt hervor, dass diese Peptide sich grundlegend von den bisher bekannten unterscheiden, da sie eine nachhaltige Symbiose ermöglichen.
Langfristige Symbiose bei langlebigen Pflanzen
Dr. Kevin Oliphant, korrespondierender Autor der Studie, erläutert, dass die Robinie durch diese Peptide eine dauerhafte Partnerschaft mit den Rhizobien eingeht, ohne diese zu schädigen. Dies stellt eine alternative Form der Symbiontenmodulation dar, die besonders für mehrjährige Gehölze vorteilhaft ist, da sie ihre Symbiose über mehrere Wachstumsperioden stabil halten müssen.
Interdisziplinäre Forschungsansätze
Die Untersuchung vereinte Fachwissen aus verschiedenen Disziplinen, darunter Pflanzenbiologie, Mikrobiologie, physikalische Chemie und Geomechanik. Letztere nutzte hochauflösende Computertomografie, um die Entwicklung der Wurzelknöllchen sichtbar zu machen. Neben der TU Braunschweig und der Southwest University Chongqing waren das Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) Braunschweig, Helmholtz Munich sowie das Leibniz-HKI in Jena an der Studie beteiligt.
Kontakt für wissenschaftliche Rückfragen
Prof. Dr. Robert Hänsch
Technische Universität Braunschweig
Institut für Pflanzenbiologie
Telefon: +49 531 391-5867
E-Mail: r.haensch@tu-braunschweig.de
Originalpublikation
Bin Hu, Robert Hänsch, Kyra Grunau … Kevin D. Oliphant: „Symbiotic peptides modulate rhizobial physiology without terminal differentiation“. Science Advances (2026). DOI: 10.1126/sciadv.aed281
Weiterführende Informationen
https://magazin.tu-braunschweig.de/pi-post/neue-peptidfamilie-steuert-stickstofffixierung-ohne-bakterielle-opferstrategie/
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aed2816
