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Pflanzen-Pilz-Symbiose

Urzeitlicher Landgang mit Freunden

Bereits die Pioniere des pflanzlichen Landgangs könnten eine Symbiose mit Pilzen eingegangenen sein. (Illustration: Aurélie Le Ru/Mélanie Rich/Pierre-Marc Delaux)

Eine „Freundschaft“ bildete offenbar die Grundlage der grünen Revolution auf unserem Planeten: Forscher präsentieren neue Hinweise darauf, dass die pflanzliche Besiedlung des Landes vor rund 450 Millionen Jahren durch eine symbiotische Beziehung mit Pilzen möglich wurde. Sie konnten zeigen, dass sogar die simplen Lebermoose – die als lebende Fossilien gelten – ihren Pilzpartnern Lipide als „Handelsgut“ anbieten – ähnlich wie die hochentwickelten Pflanzenarten. Bei Algen gibt es die entsprechende Lipid-Biosynthese hingegen nicht. Daraus schließen die Wissenschaftler, dass dieses System auf die Zeit zurückgeht, als die ersten Gewächse mit der Unterstützung ihrer Pilzpartner das Land ergrünen ließen.

Die meisten heutigen Pflanzenarten haben treue Partner: Sie gehen mit bodenlebenden Pilzarten eine innige Austausch-Beziehung ein, durch die sie sich zusätzliche Nährstoffe und Wasser aus dem Erdreich erschließen können. Bei dieser sogenannten Mykorrhiza-Symbiose tauschen die Partner die Nährstoffe über eine Verbindung zwischen dem weitverzweigten Pilzgeflecht im Boden und den Pflanzenwurzeln aus. Bei der verbreitetsten Form findet der „Handel“ dabei über ein komplexes Gebilde im Inneren der Wurzeln statt: Der Pilz dringt mit seinen Hyphen in sie ein und bildet in einigen Zellen gemeinsam mit der Pflanze eine bäumchenartige Struktur (Arbuskel) aus. Über die große Oberfläche dieses Gebildes wird dann der Nährstofftransfer abgewickelt. Der Pilz übergibt der Pflanze dabei Wasser und vor allem den Nährstoff Phosphat, den er aus dem Erdreich aufgenommen hat. Im Gegenzug versorgt ihn die Pflanze mit energiereichen Substanzen. Studien haben gezeigt, dass es sich dabei neben Zuckermolekülen auch um Lipide handelt.

Erfolgsrezept der Pioniere?

Bereits in den 1980er Jahren ging aus Untersuchungen pflanzlicher Fossilien hervor, dass die Mykorrhiza-Symbiose bereits uralt ist. So kam der Verdacht auf, dass die Partnerschaft möglicherweise den Landgang der Pflanzen vor etwa 450 Millionen Jahren überhaupt erst ermöglicht haben könnte: In ihrem neuen, harschen Lebensraum konnten die Pilze die Pionier-Gewächse demnach vermutlich in entscheidender Weise mit Wasser und Nährstoffen versorgen. Die aktuelle Studie der Forscher um Mélanie Rich von der Universität Toulouse untermauert diese Annahme nun durch genetische und molekularbiologische Hinweise.

Sie bauen dabei auf langjährigen Forschungsergebnissen zu den Erbanlagen auf, die es Pflanzen ermöglichen, die komplexe Wechselbeziehung mit den Pilzen einzugehen. Bisher hat man sich dabei auf moderne Gefäßpflanzen (Tracheophyten) wie Bohne, Kartoffel und Co konzentriert. Doch Rich und ihre Kollegen haben sich nun Gewächsen gewidmet, die wohl noch immer den Pionieren des pflanzlichen Landgangs ähneln: Moosen (Bryophyten). Man nimmt an, dass sie sich vor 450 Millionen Jahren aus Grünalgen in der Gezeitenzone entwickelt haben.

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Es ist bekannt, dass auch diese urtümlichen Pflanzen Partnerschaften mit Pilzen ausbilden können – doch die genetischen und molekularen Grundlagen dieser Pilz-Moos-Symbiosen waren bisher unerforscht. Im Rahmen ihrer Studie haben sich die Forscher nun mit dem Lebermoos Marchantia paleacea als Modell beschäftigt, das eine arbuskuläre Mykorrhiza-Symbiose mit einem Pilz eingeht. Durch genetische und molekularbiologische Verfahren hat das Team untersucht, welche Erbanlagen und Prozesse in den Pflänzchen aktiv werden, wenn in ihren Zellen die bäumchenartigen Austauschgebilde entstehen und in Aktion treten.

Uraltes Prinzip

So konnten sie nachweisen: Auch bei den Lebermoosen werden Lipide von der Pflanze auf den Pilz übertragen. Die Forscher konnten verdeutlichen, dass es sich dabei um das gleiche Grundprinzip des Lipidtransfers wie bei den modernen Gefäßpflanzen handelt. Wie bei diesen ist der Prozess auch bei den Moosen eine Voraussetzung für die Fähigkeit zur Symbiose. Dies konnten die Forscher an genetisch veränderten Zuchtlinien der Moose zeigen, bei denen sie eine für den Lipidtransfer nötige Erbanlage ausgeschaltet hatten. Diese Pflänzchen konnten keine Partnerschaft mehr mit dem Pilz etablieren, zeigten die Untersuchungen.

Die Forscher konnten zudem verdeutlichen, dass es das für die Symbiose nötige Lipidbiosynthese-System der Gefäßpflanzen und Moose nicht bei den aquatischen Algen gibt, aus denen die grünen Landpioniere den Annahmen zufolge einst hervorgegangenen sind. In diesen Ergebnissen sehen sie deshalb nun einen deutlichen Hinweis darauf, dass die Entwicklung der Mykorriza-Symbiose ganz am Anfang der Entwicklungsgeschichte der Landpflanzen stand und möglicherweise eine Voraussetzung für die erfolgreiche Eroberung des neuen Lebensraums darstellte. „Unsere Ergebnisse legen nahe, dass der gemeinsame Vorfahre aller Landpflanzen vor 450 Millionen Jahren bereits eine Partnerschaft mit arbuskulären Mykorrhizapilzen einging“, schreiben die Wissenschaftler.

Quelle: CNRS, Fachartikel: Science, doi: 10.1126/science.abg0929

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