Schlüsselprotein SYFO2 ermöglicht die „Selbstdüngung“ von Hülsenfrüchten

Während die meisten Pflanzen pilzartige Mikroorganismen in ihre Wurzelzellen aufnehmen, um gegen die Bereitstellung von Kohlenhydraten besser mit Wasser und Nährstoffen versorgt zu werden, gehen Hülsenfrüchte wie Erbsen, Bohnen oder Klee eine zusätzliche Symbiose ein. Diese Allianz mit stickstofffixierenden Rhizobien ermöglicht es ihnen, lebenswichtigen Stickstoff direkt aus der Luft zu gewinnen.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Dr. Thomas Ott vom Exzellenzcluster CIBSS konnte nachweisen, dass das Protein SYFO2 dabei eine entscheidende Rolle spielt. Als Schlüsselakteur ermöglicht es den Bakterien das Eindringen in die Wurzelzellen. Sobald die Wurzelhaare die Rhizobien eingefangen haben, initiiert SYFO2 den Umbau des Aktin-Zytoskeletts. Dieser Prozess ist die Voraussetzung dafür, dass die Bakterien die Zelle infizieren. In Folge dessen bilden sich die charakteristischen Wurzelknöllchen, in denen der Stickstoff für die Pflanze nutzbar gemacht wird.

Genetische Aktivierung von SYFO2: Ein Schritt zur stickstofffixierenden Tomate

Mithilfe einer Kombination aus bildgebenden, molekularbiologischen und genetischen Verfahren konnte das Team diesen Prozess detailliert nachweisen. Den Wissenschaftler*innen gelang es zudem, die tomateneigene Version des Proteins SYFO2 zu aktivieren. Dabei brachten sie den Transkriptionsfaktor NIN – einen zentralen Regulationsfaktor der Wurzelknöllchensymbiose – ein.

Die Studie erweitert damit das Verständnis darüber, wie pflanzeneigene Symbiose-Gene gesteuert werden können. Sie legt den Grundstein für zukünftige Ansätze, die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Rhizobien zu optimieren und die Fähigkeit zur Stickstofffixierung auf weitere Nutzpflanzen zu übertragen. Langfristig verfolgt die Forschung damit das Ziel, den Bedarf an synthetischen Düngemitteln signifikant zu reduzieren.

Grundlage für Schlüsselprozess identifiziert

„Die meisten Hülsenfrüchte haben ausgeklügelte Mechanismen entwickelt, um symbiotischen Bakterien den Eintritt in die Zelle zu ermöglichen“, sagt Ott. „In dieser Studie haben wir die molekulare Grundlage für einen Schlüsselprozess identifiziert, bei dem die Pflanze vom ‚Einfangen der Bakterien‘ zum ‚Öffnen der Tür‘ für sie übergeht.“ Unterstützt wurde die Arbeit zudem von Prof. Dr. Robert Grosse.

Darüber hinaus konnten die Forschenden nachweisen, dass SYFO2 auch bei Pflanzen ohne Stickstoff-Symbiose für die evolutionär ältere Mykorrhiza-Symbiose mit Pilzen essenziell ist. Angesichts der erfolgreichen Aktivierung des Proteins in Tomatenpflanzen resümiert Ott: „Dieses Ergebnis ist besonders interessant, weil es zeigt, dass Gene, die normalerweise an der Mykorrhiza-Symbiose beteiligt sind, auch dazu genutzt werden können, um eine bakterielle Stickstofffixierungssymbiose in Pflanzen zu ermöglichen.“

Quelle

Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau (03/2026)