Die Entdeckung hilft Pflanzen, eine Verbindung zu Bodenpilzen herzustellen

Ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung des Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums hat das spezifische Gen entdeckt, das eine wichtige symbiotische Beziehung zwischen Pflanzen und Bodenpilzen steuert, und erfolgreich die Symbiose in einer Pflanze erleichtert, die normalerweise dagegen resistent ist. Die Entdeckung könnte zur Entwicklung von Bioenergie- und Nahrungspflanzen führen, die rauen Wachstumsbedingungen standhalten, Krankheitserregern und Schädlingen widerstehen, weniger chemischen Dünger benötigen und größere und reichere Pflanzen pro Hektar produzieren.

Wissenschaftler haben in den letzten Jahren ein tieferes Verständnis der komplexen Beziehung zwischen Pflanzen und Mykorrhizapilzen entwickelt. Wenn sie vereint sind, bilden die Pilze eine Hülle um Pflanzenwurzeln mit bemerkenswerten Vorteilen. Die Pilzstruktur erstreckt sich weit vom Pflanzenwirt, erhöht die Nährstoffaufnahme und kommuniziert sogar mit anderen Pflanzen, um vor sich ausbreitenden Krankheitserregern und Schädlingen zu „warnen“. Im Gegenzug füttern Pflanzen den Pilz mit Kohlenstoff, was sein Wachstum fördert.

Es wird angenommen, dass diese Mykorrhiza-Symbiosen die alte Besiedlung des Landes durch Pflanzen unterstützt haben und erfolgreiche Ökosysteme wie ausgedehnte Wälder und Prärien ermöglicht haben. Schätzungsweise 80 % der Pflanzenarten haben Mykorrhizapilze, die mit ihren Wurzeln assoziiert sind.

„Wenn wir den molekularen Mechanismus verstehen, der die Beziehung zwischen Pflanzen und nützlichen Pilzen steuert, können wir damit beginnen, diese Symbiose zu nutzen, um bestimmte Bedingungen in Pflanzen zu erlangen, wie z. B. Resistenz gegen Dürre, Krankheitserreger, Verbesserung der Stickstoff- und Nährstoffaufnahme und mehr“, sagte ORNL Molekulargenetikerin Jessy Labbe. „Die daraus resultierenden Pflanzen würden größer werden und beispielsweise weniger Wasser und Dünger benötigen.“

Das Auffinden der genetischen Auslöser in einer Pflanze, die das Auftreten der Symbiose ermöglichen, war eines der schwierigsten Themen auf dem Gebiet der Pflanzen. Die Entdeckung, beschrieben in Naturpflanzen , kam nach 10 Jahren Forschung am ORNL und Partnerinstitutionen, in denen Wege zur Produktion besserer Bioenergie-Rohpflanzen wie Populus untersucht wurden , oder die Pappel. Die Arbeit wurde durch Verbesserungen in den letzten zehn Jahren in den Bereichen Genomsequenzierung, quantitative Genetik und Hochleistungsrechnen in Kombination mit experimenteller Biologie erreicht.

Die Wissenschaftler untersuchten die Symbiose bestimmter Arten von Populus und der Pilz Laccaria bicolor (L. bicolor) . Das Team verwendete Supercomputing-Ressourcen an der Oak Ridge Leadership Computing Facility, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science am ORNL, zusammen mit Genomsequenzen, die am DOE Joint Genome Institute, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science am Lawrence Berkeley National Laboratory, produziert wurden, um einzugrenzen die Suche nach einem bestimmten Rezeptorprotein, PtLecRLK1, herunter. Sobald sie das wahrscheinliche Kandidatengen identifiziert hatten, gingen die Forscher ins Labor, um ihre Ergebnisse zu validieren.

Die Forscher wählten Arabidopsis , eine Pflanze, die traditionell nicht mit dem Pilz L. zweifarbig und betrachtet es sogar als Bedrohung für ihre Experimente. Sie schufen eine manipulierte Version der Pflanze, die das PtLecRLK1-Protein exprimiert, und inokulierten die Pflanzen dann mit dem Pilz. Der Pilz L. zweifarbig hüllte die Wurzelspitzen der Pflanze vollständig ein und bildete eine Pilzhülle, die auf die Bildung von Symbionten hinweist.

„Wir haben gezeigt, dass wir einen Nicht-Wirt in einen Wirt dieses Symbionten umwandeln können“, sagte der quantitative Genetiker Wellington Muchero vom ORNL. „Wenn wir Arabidopsis herstellen können mit diesem Pilz interagieren, dann glauben wir, dass wir andere Biokraftstoffpflanzen wie Rutenhirse oder Nahrungspflanzen wie Mais ebenfalls interagieren und genau die gleichen Vorteile bieten können. Es eröffnet vielfältige Möglichkeiten in diversen Anlagensystemen. Überraschenderweise ist ein Gen alles, was Sie brauchen.“

„Dies ist eine bemerkenswerte Leistung, die zur Entwicklung von Bioenergiepflanzen führen könnte, die auf marginalen, nicht landwirtschaftlichen Flächen überleben und gedeihen können“, sagte CBI-Direktor Jerry Tuskan. „Wir könnten bis zu 20-40 Millionen Morgen Randland mit robusten Bioenergiepflanzen anvisieren, die weniger Wasser benötigen, und so die Aussichten für erfolgreiche ländliche, biobasierte Wirtschaften verbessern, die nachhaltige Alternativen für Benzin und Industrierohstoffe liefern.“