In der Welt der Pflanzen sind die Wurzeln ständig auf der Hut vor potenziellen Bedrohungen. Diese unterirdischen Strukturen sind mit komplexen molekularen Alarmsystemen ausgestattet, die darauf abzielen, eindringende Mikroben zu erkennen und Immunreaktionen auszulösen. Trotz dieser Schutzmechanismen gelingt es nützlichen Bodenpilzen jedoch regelmäßig, in lebende Wurzeln einzudringen und eine enge, symbiotische Beziehung zu etablieren, die für die Nährstoffaufnahme der Pflanzen von entscheidender Bedeutung ist. Eine neue Studie des Max-Planck-Instituts für molekulare Pflanzenphysiologie in Zusammenarbeit mit der Ludwig-Maximilians-Universität München hat nun einen faszinierenden Mechanismus aufgedeckt, durch den Pilze kleine RNAs in Pflanzenwurzeln einschleusen, um gezielt die pflanzliche Abwehr zu umgehen.
Diese Entdeckung zeigt, dass die Pilze in der Lage sind, die pflanzeneigenen Abwehrmechanismen von innen heraus zu manipulieren. Forscher fanden heraus, dass die Pilze spezifische kleine RNA-Moleküle in die Zellen der Pflanzenwurzeln einbringen, die als molekulare „Schlüssel“ fungieren. Diese Schlüssel nutzen den natürlichen Mechanismus der Pflanzen zur Stilllegung von Genen, um gezielt bestimmte Gene, darunter auch solche, die für die Immunabwehr wichtig sind, vorübergehend auszuschalten. Dieser Prozess wird als „Cross-Kingdom RNA Interferenz“ bezeichnet und ermöglicht es den Pilzen, in die Wurzeln einzudringen, ohne dass die Pflanzen eine Abwehrreaktion auslösen.
Die Symbiose zwischen Pflanzen und arbuskulären Mykorrhiza-Pilzen ist eine der ältesten bekannten Partnerschaften in der Evolution und betrifft schätzungsweise 80 % aller terrestrischen Pflanzenarten. Diese Beziehung ist nicht nur für die Nährstoffaufnahme wichtig, sondern auch für das Überleben vieler Pflanzenarten. Fossile Beweise deuten darauf hin, dass diese Symbiose bereits vor etwa 400 bis 450 Millionen Jahren entstand. Die Pilze bilden Strukturen in den Wurzeln, die als Arbuskeln bekannt sind, über die sie Mineralstoffe wie Phosphor in die Pflanze transportieren, während die Pflanzen den Pilzen Kohlenstoffverbindungen zur Verfügung stellen.
Um zu verstehen, wie Pilze in lebende Pflanzenzellen eindringen können, ohne eine Immunreaktion hervorzurufen, konzentrierten sich die Forscher auf den Modellpilz Rhizophagus irregularis und dessen Wechselwirkungen mit der Hülsenfrucht Lotus japonicus. Sie entdeckten, dass das Pflanzenprotein ARGONAUTE1 (AGO1) eine entscheidende Rolle spielt. AGO1 ist in der Lage, kleine RNAs zu binden und diese zu Boten-RNAs zu leiten, die normalerweise in Proteine übersetzt werden. Wenn AGO1 durch Pilz-RNAs beeinflusst wird, kann es diese Boten-RNAs zerstören, was zur Stilllegung der entsprechenden Gene führt.
Durch die Analyse isolierter AGO1-Proteine aus den Wurzeln von Lotus japonicus fanden die Wissenschaftler nicht nur pflanzliche RNA-Moleküle, sondern auch Pilz-RNAs. Dies deutete darauf hin, dass die Pilz-RNAs aktiv in den Gen-Stilllegungsprozess der Pflanzen eingreifen. Bioinformatische Analysen zeigten, dass diese Pilz-RNAs gezielt Pflanzengene anvisieren, die mit Immunreaktionen und der Zellwandstruktur in Verbindung stehen.
Die Forscher konnten durch spezielle Reportersysteme im Labor nachweisen, dass die Pilz-RNAs in lebenden Wurzeln aktiv sind und dort Gene ausschalten. Weiterhin zeigten Experimente, dass die Blockierung bestimmter Pilz-RNAs die Fähigkeit des Pilzes zur Besiedlung der Wurzeln signifikant reduzierte, was darauf hinweist, dass diese RNAs nicht nur passive Bestandteile sind, sondern aktiv zur Etablierung der Symbiose beitragen.
Besonders bemerkenswert ist, dass die Immunreaktion der Pflanzen nur lokal und vorübergehend gehemmt wird, was bedeutet, dass die Pflanze ihre Abwehrkräfte im umliegenden Gewebe aufrechterhalten kann. Diese Strategie erlaubt es dem Pilz, die Sicherheitsvorkehrungen der Pflanze zu nutzen, um in die Zellen einzudringen, die er benötigt.
Die Ergebnisse dieser Studie weisen auf eine bisher unbekannte Dimension der Kommunikation zwischen Pflanzen und nützlichen Bodenpilzen hin und könnten bedeutende Implikationen für die Landwirtschaft haben. Ein vertieftes Verständnis der Mechanismen, durch die Pilze die Immunität von Pflanzen modulieren, könnte dazu führen
