Ludwig-Maximilians-Universität München
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Wurzelsymbiose

Bakterielle Untermieter im Pilzgeflecht

München, 28.05.2015

LMU-Wissenschaftler haben das Genom eines bakteriellen Symbionten von Mykorrhiza-Pilzen entschlüsselt und neue Einblicke in die Evolution dieser Partnerschaft erhalten.

Eine Spore des Mykorrhiza-Pilzes Claroideoglomus claroideum setzt Endobakterien (grün) und pilzliche Zellkerne (rot) frei. (Foto: Maria Naumann, Universität Turin)

Mehr als 80 Prozent aller Landpflanzen beherbergen in ihren Wurzelzellen sogenannte arbuskuläre Mykorrhiza-Pilze, die anorganische Nährstoffe aus dem Boden aufnehmen und der Pflanze zur Verfügung stellen. Im Gegenzug werden die Pilze von der Pflanze mit Kohlenhydraten versorgt. Diese Symbiose ist schon vor über 400 Millionen Jahren entstanden und für viele Pflanzen lebenswichtig. „Dabei haben die Mykorrhiza-Pilze noch weitere wichtige Partner: In ihrem Zellinneren leben symbiontische Endobakterien, über die bisher nur sehr wenig bekannt ist“, sagt Dr. Gloria Torres-Cortés, Wissenschaftlerin in der bis vor kurzem von Dr. Arthur Schüßler geleiteten Arbeitsgruppe „Arbuscular mycorrhiza and Geosiphon symbioses“. Torres-Cortés hat nun das Genom der sogenannten Mollicutes-verwandten Endobakterien analysiert und so ganz neue Einblicke in die Evolution dieser bakteriellen Untermieter vieler Mykorrhizapilz-Arten erhalten.

Mollicutes-verwandte Endobakterien – kurz MRE – sind auf ihren Symbiosepartner angewiesen und können im Labor nicht kultiviert werden. „Daher können ihre Funktion und ihre Interaktionen mit dem Wirt nicht direkt untersucht werden“, sagt Torres-Cortés. „Die Genanalysen haben nun zum ersten Mal Rückschlüsse auf ihre Eigenschaften ermöglicht“. Die von Torres-Cortés untersuchten MRE leben im Zytoplasma des Mykorrhiza-Pilzes Dentiscutata heterogama und werden daher als DhMRE bezeichnet.

Geliehene Gene mit langer Vergangenheit

Wie die Studie zeigte, gehören DhMRE zu einer bisher unbekannten Linie, die sehr nahe mit der Bakteriengattung Mycoplasma verwandt ist. Obwohl Mycoplasmen als Parasiten bei Menschen und Tieren weit verbreitet sind, repräsentieren DhMRE die bisher einzigen bekannten Mycoplasma-Verwandten, die Pilze als Wirt nutzen. Dabei haben sie sich auf einzigartige Weise an das Leben innerhalb der Pilzzellen angepasst. Die Stoffwechselkapazität der DhMRE ist stark reduziert und überraschenderweise scheint es einen erheblichen Austausch von – vermutlich regulatorischen – Genen zwischen Bakterium und Pilz gegeben zu haben: DhMRE besitzen zahlreiche Proteine mit bisher unbekannter Funktion, die Pilzproteinen ähneln und die wahrscheinlich an der Steuerung der Interaktion zwischen Bakterium und Pilz beteiligt sind.

Vermutlich reicht die Symbiose zwischen MRE und Mykorrhizapilzen stammesgeschichtlich sehr weit zurück: Etliche DhMRE-Proteine ähneln zellkerncodierten Proteinen von Mykorrhiza-Pilzen, die selbst gar keine Symbiose mit MRE eingehen. „Unsere Daten legen nahe, dass die Bakterien-Pilz-Symbiose bereits bestand, als sich die Vorfahren der heutigen Mykorrhizapilz-Ordnungen vor mehr als 400 Millionen Jahren aufspalteten“, sagt Torres-Cortés, „diese Ergebnisse werfen neue Fragen bezüglich der Rolle der Endobakterien bei der Entwicklung ihres Pilzwirts auf. Unsere Studie legt den Grundstein für eine gezieltere Suche nach weiteren Faktoren, die bei der Entwicklung der arbuskulären Mykorrhiza eine Rolle spielen.“
PNAS 2015                        göd