Pilze kapern Pflanzenregulator, um Symbiose zu fördern

Pflanzen befinden sich in ständiger Alarmbereitschaft, da ihre Wurzeln mit molekularen Systemen ausgestattet sind, die eindringende Mikroben identifizieren und sofortige Immunreaktionen einleiten. Trotz dieser strengen Kontrolle gelingt es nützlichen Bodenpilzen regelmäßig, in lebende Pflanzenwurzeln vorzudringen, Dort gehen sie essenzielle Partnerschaften für die Nährstoffversorgung ein. Wissenschaftler:innen haben nun entdeckt, dass diese Pilze kleine RNAs in die Pflanze einschleusen, die wahrscheinlich ausgewählte Abwehrsysteme von innen heraus heimlich ausschalten können.

Wie Forschende des Max-Planck-Instituts für molekulare Pflanzenphysiologie und der LMU München berichten, schleusen symbiontische Pilze diese winzigen RNA-Moleküle direkt in die Zellen der Pflanzenwurzeln ein. Diese Moleküle sind in der Lage, sehr präzise bestimmte molekulare „Schlösser“ zu knacken. Dabei nutzen sie den pflanzeneigenen Mechanismus zur Gen-Stilllegung. Auf diese Weise werden gezielt Gene, darunter auch solche der Immunabwehr, vorübergehend deaktiviert. Dieser als „Cross-Kingdom RNA Interferenz“ bezeichnete Prozess ermöglicht es den Pilzen schließlich, die Wurzeln zu besiedeln, ohne eine feindliche Abwehrreaktion auszulösen.

Eine uralte unterirdische Allianz

Die arbuskuläre Mykorrhiza-Symbiose stellt eine fundamentale Partnerschaft dar, die etwa 80 % aller Landpflanzenarten umfasst – von bedeutenden Nutzpflanzen wie Weizen und Mais bis hin zu heimischem Gartengemüse und Bäumen – und mit Pilzen aus der Klade der Glomeromycotina eingegangen wird. Fossile Funde belegen, dass diese biologische Kooperation bereits vor etwa 400 bis 450 Millionen Jahren entstanden ist. Dabei dringen die Pilze in die Pflanzenwurzeln ein und bilden dort sogenannte Arbuskeln, bei denen es sich um komplexe, baumartige Strukturen handelt. Über diese mikroskopischen Verästelungen liefern die Pilze essenzielle mineralische Nährstoffe wie Phosphor an die Pflanze. Gleichzeitig werden sie im Gegenzug mit lebensnotwendigen Kohlenstoffverbindungen versorgt. Obwohl dieser hocheffiziente Nährstoffaustausch der Wissenschaft seit langem bekannt ist, blieb eine zentrale Frage bisher ungeklärt. Wie es den Pilzen gelingt, in lebende Pflanzenzellen einzudringen, ohne dabei eine Immunreaktion der Wirtspflanze auszulösen.

Zusammenarbeit mit den pflanzeneigenen Mechanismen

Um diesem Rätsel auf den Grund zu gehen, untersuchte das Forschungsteam den Modellpilz Rhizophagus irregularis, der die Wurzeln der Hülsenfrucht Lotus japonicus besiedelt. Im Mittelpunkt der Analyse stand das Pflanzenprotein ARGONAUTE1 (AGO1). Dieses fungiert wie eine molekulare Schere. Es bindet kleine RNAs und wird von diesen zu Boten-RNAs geleitet, um diese zu zerstören und somit die entsprechende Proteinherstellung zu unterbinden.

Die Wissenschaftler:innen isolierten AGO1 aus den besiedelten Wurzeln und analysierten die gebundenen RNAs mittels Sequenzierung. Dabei entdeckten sie neben pflanzlichen Molekülen auch kleine Pilz-RNAs. Dieser Befund deutete darauf hin, dass die Pilz-RNAs aktiv in die Pflanzenzellen eingedrungen waren, um das dortige System der Gen-Stilllegung zu steuern.

Bioinformatische Analysen sowie experimentelle Bestätigungen prognostizierten schließlich, dass diese pilzlichen Infiltratoren gezielt auf Pflanzengene abzielten, die für die Immunabwehr und die Umgestaltung der Zellwand zuständig sind. In-vitro-Spaltungsassays belegten zudem zweifelsfrei, dass die Pilz-RNAs das pflanzliche AGO1 dazu anleiten können, die entsprechenden pflanzlichen Boten-RNAs gezielt zu schneiden und so die Abwehr auszuschalten.

Direkter Nachweis in lebenden Wurzeln

Um zu bestätigen, dass eine Cross-Kingdom RNA-Interferenz tatsächlich in den lebenden Pflanzenwurzeln stattfindet, nutzte das Team ein spezielles Reportersystem, das im Labor von Arne Weiberg an der LMU München entwickelt wurde. Da der Reporter gezielt in jenen Wurzelzellen aktiviert wurde, die Pilzstrukturen enthielten, lieferte dies einen eindeutigen Echtzeit-Beweis dafür, dass Pilz-RNAs in Pflanzenzellen eindringen und dort Gene ausschalten.

Anschließend prüften die Forschenden mithilfe einer Short-Tandem-Target-Mimic (STTM)-Strategie die funktionelle Relevanz dieser RNAs. Diese Sequenzen wirken wie molekulare Schwämme, die bestimmte kleine RNAs binden und sie an ihrer Funktion hindern. Als vier wichtige Pilz-RNAs auf diese Weise blockiert wurden, reduzierte sich die Besiedlung der Wurzeln durch den Pilz deutlich. Das belegt, dass die übertragenen RNAs aktiv zur Etablierung der Symbiose beitragen.

Bemerkenswert war zudem, dass der Effekt räumlich stark begrenzt blieb und nur Zellen mit direktem Pilzkontakt ein positives Reportersignal zeigten. So wurde die Immunaktivität lediglich lokal gedämpft. „Es ist, als würde der Pilz die eigenen Sicherheitskontrollen der Pflanze nutzen. Er senkt gezielt und vorübergehend genau in den Zellen, in die er eindringen möchte, die Abwehrkräfte“, erklärt Manisha Haag. Dr. An-Po Cheng ergänzt: „Was uns besonders fasziniert, ist, dass Pilz-RNAs selektiv eine kleine Gruppe von Pflanzengenen ansteuern, die möglicherweise die Immunität regulieren. So kann der Pilz eine Symbiose eingehen, während das gesamte Abwehrsystem der Pflanze weitgehend intakt bleibt.“ „Wir werden nun untersuchen, wie genau die vorhergesagten Zielgene der Pflanzen der Symbiose entgegenwirken“, sagt Prof. Caroline Gutjahr.

Pilz-RNAs als Schlüssel für nachhaltige Landwirtschaft

Die Ergebnisse offenbaren eine bislang verborgene Ebene der Kommunikation zwischen Pflanzen und nützlichen Bodenpilzen. Sie legen nahe, dass sich solche molekularen Austauschprozesse bereits sehr früh in der Evolution des Lebens auf der Erde entwickelt haben. Ein tieferes Verständnis darüber, wie Pilze die Immunität von Pflanzen feinjustieren, könnte künftig dabei helfen, Werkzeuge zu entwickeln, mit deren Hilfe Nutzpflanzen effizienter mit nützlichen Bodenorganismen zusammenarbeiten. Auf diese Weise ließe sich die Nährstoffaufnahme von Nutzpflanzen nachhaltig verbessern, was wiederum die Abhängigkeit von synthetischen Düngemitteln verringern könnte.

Quelle

Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie (03/2026)