Arbeitsgruppenleiterin

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Prof. Dr. Franziska Krajinski

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Max-Planck-Forschung

Pilzgespinst im Wurzelwerk

Seit Jahrmillionen leben Pflanzen mit Pilzen in enger Gemeinschaft. Sie erhalten von den Mikroorganismen lebensnotwendige Mineralsalze und versorgen diese mit Kohlehydraten. Franziska Krajinski vom MPI-MP in Golm beobachtet die beiden ungleichen Partner dabei, wie sie Kontak miteinander aufnehmen und Nährstoffe austauschen.

Von Catarina Pietschmann

Max-Planck-Forschung 4/2011

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Max Planck Forschungsgruppen

Pflanzen-Mikroben-Interaktion

Die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Franziska Krajinski beschäftigt sich mit der Symbiose zwischen arbuskulären Mykorrhizapilzen und Pflanzen. Diese AM-Symbiose wird von den meisten Pflanzen ausgebildet und führt zu einer deutlich besseren Versorgung mit Nährstoffen wie Phosphaten oder Stickstoffverbindungen. Die beteiligten Pilze ordnet man den Arbuskulären Mykorrhizapilzen der Abteilung (Phylum) Glomeromycota zu. Als Modellpflanze für die Untersuchung der molekularen Grundlagen dieser Symbiose wird in unserer Arbeitsgruppe die Leguminose Medicago truncatula verwendet.

1. Identifizierung AM-spezifisch exprimierter Gene

Symbiose in der Petrischale: Die Wurzeln einer Karottenpflanze sind von einem Geflecht des Pilzes Glomus intraradices umgeben. Bild vergrößern
Symbiose in der Petrischale: Die Wurzeln einer Karottenpflanze sind von einem Geflecht des Pilzes Glomus intraradices umgeben.[weniger]

Die Kolonisierung des Wurzelsystems beginnt mit der Bildung sogenannter Appressorien, danach folgt die Passage durch die äußeren Epidermiszellen. Die Hyphen setzten ihr Wachstem dann zunächst zwischen den Rindenzellen fort, und in inneren Rindenbereichen, nah am Zentralzylinder, werden in den Kortexzellen intrazelluläre Hyphenstrukturen, sogenannte Arbuskel gebildet. All diese Kolonisierungsschritte gehen mit tiefgreifenden morphologischen und physiologischen Veränderungen einher und werden von einem speziellen genetischen Programm der Wirtspflanze gesteuert.

Um dieses Programm zu entschlüsseln, haben wir das Transkriptom mykorrhizierter Wurzeln untersucht und eine Reihe von Genen identifiziert, deren Transkripte ausschließlich während der Symbiose exprimiert werden. Viele dieser Gene kodieren für Transporterproteine. Promoter-Reporterfusionen bestätigten dieses Expressionsmuster und werden zur Zeit verwendet, um die verantwortlichen cis-Elemente in den Promotoren zu identifizieren.

Die Entwicklung einer AM Symbiose in einem Wurzelsystem verläuft nicht synchron, es kommt ständig zu Reinfektionen und zur Ausbildung neuer Arbuskeln. Somit liegen in einem mykorrhizierten Wurzel oftmals alle Mykorrhizastrukturen und somit sehr verschiedene Zelltypen vor. Um die Genexpression der einzelnen Stadien getrennt voneinander untersuchen zu können, verwenden wir die Methode der Laser Mikrodissektion, um die gewünschten Zellen aus dem Gewebe zu isolieren. In einem anderen Projekt verwenden wir Wurzeln, welche durch eine Membranen von den AM Pilzen getrennt werden, um Gene zu identifizieren, welche bereits zu diesem frühen Zeitpunkt der Symbiose durch Signale induziert werden.

2. microRNAs und Transkriptionsfaktoren als regulatorisches Netzwerk zur Steuerung der AM-Symbiose

In eukaryotischen Zellen bilden microRNA-Moleküle (miRNA) und Transkriptionsfaktoren (TF) ein Regulationsnetzwerk, welches die Expression vieler Gene kontrolliert. Wir verwenden eine qPCR Plattform, um die Transkriptionslevel von mehr als 1000 Transkriptionsfaktoren in mykorrhizierten und Kontrollwurzeln zu vergleichen und somit TF-Gene zu identifizieren, welche eine Schlüsselrolle in der Steuerung der Symbiose haben könnten. Parallel sequenzieren wir im Hochdurchsatz miRNA-Moleküle aus mykorrhizierten und Kontrollwurzeln, um neue und eventuell für die Symbiose wichtige, miRNA Sequenzen zu identifizieren.

3. Die Verlinkung von Phosphathomöostase und AM Symbiose

Pflanzen unter Phosphatmangel werden stärker durch AM-Pilze kolonisiert als Pflanzen, denen genügend Phosphat (Pi) aus dem Boden zur Verfügung steht. Um diese Verknüpfung zwischen Phosphathomöostase und AM-Symbiose zu entschlüsseln, modulieren wir die Expression einiger Gene, die Schlüsselrollen in der Phosphathomöostase in Pflanzen spielen. In den entsprechenden Überexpressionslinien, Knockdown- oder Insertionsmutanten führt das zu konstitutiv hohen oder niedrigen Pi-Signalen. Eine Untersuchung des Mykorrhizaphänotyps solcher Linien wird aufzeigen, wo molekulare Verbindungen zwischen Pi-Homöostase und AM-Entwicklung bestehen könnten.

 
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