Datisca glomerata

Was ein Wurzelpartner von der Pflanze braucht

Luftstickstoff ist reichlich vorhanden, für eine Pflanze aber nicht unmittelbar als Stickstoffquelle nutzbar. Datisca glomerata lebt mit Frankia-Bakterien zusammen, die diesen Stickstoff in nutzbare Verbindungen überführen können. Die Bakterien sitzen in besonderen Wurzelknöllchen. Diese Organe müssen selbst wachsen und versorgt werden. Woher kommt ihr Kohlenstoff, und wie gelangt er zu den Zellen, in denen die Partner leben?

Über der Erde steht eine hochwüchsige Pflanze mit stark geteilten, gezähnten Blättern und kleinen grünlichen Blüten. Die Flora of North America beschreibt meist etwa einen bis eineinhalb Meter hohe Pflanzen, gelegentlich zwei Meter oder mehr. Ihre Heimat umfasst Kalifornien, das westliche Nevada und Baja California. Sie wächst an Quellen, auf feuchtem Sand und in Bachbetten, die auch zeitweise trockenfallen können. Regionale botanische Beschreibungen führen sie als ausdauerndes Kraut. Ihre kleinen Blüten und Samen sagen noch wenig über das Versorgungssystem unter der Erde aus.

Ein Knöllchen ist kein gleichförmiger Behälter

Schubert und Kollegen verglichen Knöllchen und gewöhnliche Wurzeln von Datisca glomerata. Die für ihre 2011 erschienene Studie verwendeten Pflanzen gingen auf Samen aus dem kalifornischen Gates Canyon zurück und wurden im Gewächshaus weitervermehrt. Zur Bildung der Symbiose erhielten sie Material aus zerdrückten Datisca-Knöllchen.

Im Inneren eines Knöllchenlappens liegen Leitgewebe und verschiedene Rindenzellen. Nahe der wachsenden Spitze befinden sich jüngere Zellen, weiter entfernt ältere. Frankia durchzieht infizierte Zellen zunächst mit verzweigten Fäden. In reiferen Zellen entstehen die spezialisierten bakteriellen Strukturen für die Stickstofffixierung. Der Weg zu den versorgungsbedürftigen Zellen führt daher durch ein räumlich und entwicklungsbiologisch gegliedertes Pflanzenorgan.

Zwei Wege durch pflanzliches Gewebe

Benachbarte Pflanzenzellen sind durch Zellwände voneinander getrennt, können aber über sehr feine Kanäle verbunden sein: die Plasmodesmen. Durch diese Verbindungen ist ein Transport von einem Zellinneren ins nächste grundsätzlich möglich. Alternativ können Stoffe einen Weg durch den Raum außerhalb der Zellmembranen nehmen; für den anschließenden Eintritt in eine Zelle werden dann passende Membrantransporter benötigt.

Das Team zählte Plasmodesmen in sehr dünnen elektronenmikroskopischen Schnitten und bezog die Zahlen auf die untersuchte Kontaktfläche beziehungsweise Wandlänge. Es fand zahlreiche Verbindungen zwischen infizierten und nicht infizierten Rindenzellen. Reife infizierte Zellen besaßen mehr solcher Verbindungen als jüngere. Das spricht für ein zusammenhängendes inneres Transportnetz im Knöllchen.

Ein sichtbarer Kanal ist allerdings noch keine gemessene Warenmenge. Die Anatomie zeigt mögliche Verbindungen und Unterschiede ihrer Häufigkeit. Sie verrät nicht allein, wie viel Zucker in einer Stunde tatsächlich durch einen bestimmten Kanal fließt oder welcher Anteil schließlich den Bakterien zugutekommt.

Dasselbe Zuckermolekül, andere Verarbeitung

Saccharose ist eine wichtige Transportform pflanzlichen Kohlenstoffs. Bevor ihre Bestandteile in verschiedene Stoffwechselwege eingehen, kann sie auf unterschiedlichen Wegen gespalten werden. Invertasen setzen Glucose und Fructose frei. Ein anderes Enzym, die Saccharose-Synthase, spaltet Saccharose mithilfe des Reaktionspartners UDP. Dabei entstehen Fructose und UDP-Glucose, eine für weitere Reaktionen nutzbare gebundene Form der Glucose. Die Wahl des Weges beeinflusst damit auch, in welcher Form Kohlenstoff für weitere Reaktionen bereitsteht.

In gewöhnlichen Datisca-Wurzeln maß das Team deutliche Invertaseaktivitäten. In Knöllchen waren sie stark vermindert; einige Teilaktivitäten waren kaum nachweisbar. Die Aktivität der löslichen Saccharose-Synthase war dagegen ähnlich hoch wie in Wurzeln. Das war besonders aufschlussreich, weil im Knöllchen mehr zugehörige RNA und mehr Enzymprotein gefunden wurden. Genaktivität, Proteinmenge und tatsächlich gemessene Enzymaktivität waren also keine austauschbaren Größen.

Die Kombination aus dichten Zellverbindungen und verändertem Enzymprofil stützt eine Versorgung, bei der der zusammenhängende Zellinnenraum wichtig ist. Sie ergibt jedoch noch keine vollständige Bilanz aller Kohlenstoffwege. Dafür müsste man den Stofffluss selbst verfolgen, statt nur seine baulichen und biochemischen Voraussetzungen zu vergleichen.

Ein Transporter funktioniert – seine Aufgabe bleibt offen

In infizierten Zellen fanden die Forschenden außerdem RNA für ein Transportprotein namens DgSTP1. Sein Auftreten begann bereits vor dem Nachweis von nifH-RNA, die das Team als Marker für den Beginn der bakteriellen Stickstofffixierung verwendete. Um seine Fähigkeiten zu prüfen, brachten sie die entsprechende Erbinformation in eine Hefelinie ein, der zahlreiche eigene Zuckertransporter fehlten. Mit radioaktiv markiertem Zucker ließ sich anschließend die Aufnahme messen.

Die veränderte Hefe nahm über DgSTP1 besonders gut Glucose auf. Die Aufnahme hing von der Energieversorgung und den Versuchsbedingungen ab. Damit war eine Transportfähigkeit des Proteins belegt. Die Versuchsanordnung bestimmte aber zugleich die Aussage: Gemessen wurde die Aufnahme in Hefe, nicht die Abgabe von Zucker aus einer lebenden Datisca-Zelle an Frankia.

Im Knöllchen könnte ein solcher Transporter beispielsweise Zucker zurückholen, der aus Zellen verloren geht, oder andere Aufgaben des Zuckerhaushalts übernehmen. Seine genaue Rolle wurde in dieser Arbeit nicht entschieden. Gerade dieses offene Ende macht die Versorgung verständlich: Ein funktionierendes Einzelprotein erklärt noch nicht automatisch den Transportweg eines ganzen Symbioseorgans.