MicroRNAs als Symbiosehelfer

Bei der Symbiose zwischen Pilzen und Wurzelzellen spielen microRNAs eine große Rolle

1. September 2011

Ungefähr 80 Prozent aller Landpflanzen leben in Symbiose mit Wurzelpilzen, mit denen sie Zucker und Nährstoffe austauschen. Bei der Entstehung dieser Symbiose kommt es zu einer massiven Umprogrammierung der pflanzlichen Genexpression, die zu morphologischen und physiologischen Veränderungen in den Zellen führt. Forscher vom Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie haben herausgefunden, dass dabei die sogenannten microRNAs eine wichtige Rolle spielen. Diese kurzen RNA-Stränge, die erst vor wenigen Jahren entdeckt wurden und seitdem immer höhere Bedeutung erlangen, verhindern die Produktion von bestimmten Abwehrproteinen der Pflanze und ermöglichen so die wohl bedeutendste Zusammenarbeit zwischen Pilz und Pflanze.

Querschnitt durch eine mykorrhizierte Wurzel vom Schneckenhornklee. Die roten Stellen zeigen Anhäufungen der microRNA in und um Pilz-besiedelte Zellen . Der schwarze Pfeil zeigt auf eine der pilzlichen Strukturen in den Zellen der Pflanzenwurzel.

© Franziska Krajinski

Querschnitt durch eine mykorrhizierte Wurzel vom Schneckenhornklee. Die roten Stellen zeigen Anhäufungen der microRNA in und um Pilz-besiedelte Zellen . Der schwarze Pfeil zeigt auf eine der pilzlichen Strukturen in den Zellen der Pflanzenwurzel.

© Franziska Krajinski

Fast alle Landpflanzen gehen im Laufe ihres Lebens Partnerschaften ein. Nicht mit anderen Pflanzen, sondern mit Pilzen. Die häufigste Form der Symbiose ist die Mykorrhizae, bei der Pilz und Pflanze über das Wurzelsystem miteinander in Kontakt stehen. Diese Beziehungen sind – wie jede gute menschliche Verbindung auch – geprägt von ständiger Kommunikation und einem gegenseitigen Geben und Nehmen. Durch Kanäle in den Zellmembranen werden Signalmoleküle transportiert, die dem Informationsaustausch dienen. Außerdem findet hier auch der Stoffaustausch statt. Die Pflanze liefert dem Pilz Zucker, er revanchiert sich dafür mit essentiellen Nährstoffen wie Phosphor, Schwefel und Stickstoff. Man geht davon aus, dass diese Symbiose einen wichtigen Beitrag zur Entstehung der Landpflanzen geleistet hat, da Pflanzen ohne Mykorrhizapilze bei weitem nicht so effektiv bei der Nährstoffaufnahme sind.

Während der Ausbildung der Symbiose stehen Pilz und Pflanze in einem ständigen molekularen Dialog, infolgedessen es zu gravierenden Veränderungen in der pflanzlichen Genexpression kommt. Die Wurzelzellen ändern ihr genetisches Programm und produzieren andere Proteine, als vor der Symbiose. Eine wichtige Rolle bei diesem Prozess spielen die microRNAs. Dabei handelt es sich um kurze RNA-Einzelstränge von nur 21 bis 23 Nukleotiden Länge, deren Aufgabe es ist, die Expression von Genen in bestimmten Zelltypen und Entwicklungsstadien zu regulieren. Die Sequenz der microRNAs ist komplementär zu der von bestimmten mRNAs, aus denen in den Zellen die Proteine gebildet werden. Lagern sich microRNA und mRNA zusammen, so entsteht ein Doppelstrang, der die Proteinsynthese verhindert. Die mRNA wird entweder blockiert oder sogar abgebaut. Vergleicht man die Gehalte von microRNAs in Wurzelzellen mit oder ohne Symbiosepartner, so lassen sich eklatante Unterschiede feststellen.

Die Forscher um Franziska Krajinski vom Potsdamer Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie fanden 243 neue microRNAs, die in den Wurzelzellen bestimmte Gene deaktivieren können und somit eine Symbiose ermöglichen. Tatsächlich wusste man bereits um den Einfluss von microRNAs bei der pflanzlichen Stress- und Hormonantwort, Organpolarität oder Entwicklungsprozessen. „Das besondere an unserer Arbeit ist, dass wir zeigen konnten, wie essentiell microRNAs auch bei der Entstehung von Symbiosen sind“, erklärt Franziska Krajinski.

[CSt]